Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальному теоретическому исследованию нонно-пучковой плазмы, возникающей пространстве транспортировки широкого ионного пучка низкой анергии при условиях, характерных для технологических систем ионно-лучевого травления.
Актуальность темы диссертации обусловлена все более широким использованием конных пучков (ИП) в современных технологических процессах. В пространстве транспортировки ИП образуется ионно-пучковая плазма (И1Ш) (1]. которая, обеспечивая зарядовую компенсацию пучка, является еще и той активной средой, непосредственно из которой на обрабатываемую поверхность попадают заряженные, возбужденные, химически активные частицы и электромагнитное излучение. Таким образом, нейтрализация ИП является одним из ключевых вопросов вонно-хучевой технологии.
Известно большое количество исследований нейтрализации фокусированных (L > d, где Ь - длина транспортировки ИП, d -его диаметр) ИП высокой энергии (* > 10 каВ) І1,1,3], при изучении которых основным вопросом является дефокусировка пучка под действием объемного заряда, а основным каналом образования нейтрализующих электронов — ионизация атомов остаточного газа, заполняющего пространство трапгаотировки ИП.
В то же время, в технологии микроэлектроники широко применяются процессы ионно-лучевого и ионно-химического травле-
1Габович МД. // УФН, 1977, Т.121, N 2, с.259-284. *Габовнч МД. // УФЖ. - 1979. - Т.24, N2. - с 257 - 273. 'Holmes AJ.T. // Phye. Rev. А., 1979, V.19, N 1, p. 389-407.
нхх, прачем в втих процессах используются ИП низких анергий (с» < 1 кэВ). При таков анергии менее аффективными стано-вххся процессы иотпадив остаточного газа в нагрева мекгронов неоосредственно пучком конов, которые рассматриваются в работах (V,8] в качестве основных. В технологических системах часто используют пучки большого сечения (до 500 см3), которые распространяются на нАболытте расстояния (~ 20 см). Такие пучки {L л» <) получили название широких в отличие от фокусированных пучков, о которых речь шла выше. Для широкого пучка фокусировка и влияние на нее объемного заряда не имеет существенного значеная, а на первый план выступают величина потенциала плазмы, определяющая поверхностный потенциал диэлектрических пленок к возможность их пробоя; температура в энергетический спектр мекгронов, ответственные за образование химически активных частиц; величины потоков частиц на обрабатываемую поверхность.
Исследования нейтрализации широких пучков ионов низких анергии на протяжении ряда лет проводились в Харьковском государственном университете и в Научном физико-технологическом центре НАЛ и Министерства образования Украины. Наиболее полно результаты этих исследовании отражены в [V »'] Полученные результаты позволили понять закономерности основных процессов,
'Марущенко Н.Б. Транспортировка и зарядовая нейтрализация ионных пучков средних и низких энергий // Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. - Харьков, 1989. ІЬсуннверситет, физико-технический факультет. 123 с
'Зыков А.В., Марущенко Н.В., Фареннк В Л. // В сб. "Проблемы ядерной фвзики и космических лучей". 1989, Вып. 31, с. 55-58.
'Зыков АЛ., Марущенко HJ>., Фареннк BJL // Письма в ЖТФ, 1989, Т.15, выш9, с9-13.
приводящих к нейтрализации ИП, и построить феноменологическую модель автокомпенсации. Однако, измерений функции распределения нейтрализующих электронов проведено не было. Теоретическая модель, построенная в [*,*], не имея достаточных экспериментальных основании, позволила лишь качественно рассчитать параметры ИПП. В модели не был учтен ряд важных элементарных процессов, в частности, процессов с участием нейтрального газа. Также была недостаточно точно оценена роль ионов пучка при анергиях в сотни эВ: были необоснованно исключены из рассмотрения нагрев электронного газа и ионизация ионным пучком. Все вышеперечисленное привело к противоречию результатов [4] полученным в настоящей работе экспериментальным данным.
Для выявления физических закономерностей нейтрализации широких ИП низкой энергии и повышения эффективности их использования в технологии была сформулирована цель работы:
Комплексное экспериментальное исследование нонно-пучковои плазмы, возникающей в пространстве транспортировки широкого интенсивного ИП низкой энергии при условиях, характерных для технологической системы ионно-лучевого травления и развитие теоретической модели процесса нейтрализации с учетом всех существенных особенностей конкретной системы. Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:
провести изучение особенностей зондовых измерений в ИПП и создать на основе его результатов комплекс измерительной аппаратуры;
измерить основные параметры ИПП: температуру и энергетический спектр электронов, потенциал плазмы, их зависимости от внешних параметров.
провести детальный анализ роли различных элементарных процессов в формировании параметров 'ШП;
основываясь на результатах решети предыдущих задач развить теоретическую модель процесса нейтрализации ИП.
Методы и средства исследований. Экспериментальные исследования проводились на установке, оснащенной многоканальный источником ионов хохловского типа"Радикал-М" ори помощи различных эондовых методик, адаптированных автором для условий иоино-пучковой плазмы. Теоретическая модель, построенная в настоящей работе, основана на совместном решении уравнений баланса анергии и частиц, а также кинетического уравнения для электронов. Решение выполнялось как аналитически для некоторых частных случаев, так н численно на ЭВМ в общем случае.
Научная и практическая ценность работы. Результаты исследования нонно-пучковой плазмы, возникающей в пространстве транспортировки широкого ионного пучка низкой энергии, могут быть использованы как для дальнейшего развития физических моделей, описывающих газоразрядную плазму при низких давлениях газа, так и при опадании и оптимизации технологического оборудования.
Научная новизна работы определяется следующими РЕЗУЛЬТАТАМИ, ВЫНОСИМЫМИ НА защиту;
-
Проведено методическое обоснование использования эондовых методик в ионно-пучковой плазме. Получены выражения для тока ионов на зонд в присутствии ионного пучка.
-
Впервые измерена функция распределения электронов по анергии в ИПП, создаваемой низкоэнергетичным пучком. Установлен ее трехкомпонентный состав. Экспериментально обнаружена группа "косых" электронов.
-
Обнаружено принципиальное различие вида ФРЭЭ при наличии и в отсутствие термокатода. Установлено, что как при автокои-
пеясацкх, так и ори компенсации посредством КН, нейтрализация ИП обеспечивается швкоэнергетичными плазменными электронами, запертыми в потенциальной яме.
-
Установлено, что формирование параметров ИПП определяется взаимодействием запертых электронов с 7-алектронами, конами пучка и нейтральным газом, а также видом источников и стоков электронов. Доказано, что при теоретическом описании реальных технологических систем необходим учет нарушений эквипотенци-адьносхи поверхностей, ограничивающих ИПП.
-
Развита теоретическая модель нейтрализации широкого ионного пучка низкой анергии, позволяющая находить основные параметры ИПП... Получены аналитические выражения дія функции распределения электронов по энергии и температуры ее максвел-ловского ядра. Проведено численное решение самосогласованной задачи определения потенциала ИПП, результаты которого согласуются с экспериментальными данными.
Апробация и публикация результатов работы. Основ-ные материалы диссертации опубликованы в работах [1* — 11*] и докладывались на II межотраслевом научно-техническом семинаре "Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике" (Харьков, 1991), XI Всесоюзном семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (Киев, 1991), IV Международной конференции по физике в тех* нолоппс тонких пленок (Ивано-Франковск, 1993), V Международной конференции по источникам ионов (ICIS, Пекин, 1993), Международной конференции "Физика в Украине" (Киев, 1993), XXI Международной конференции по УТС и физике плазмы (Монпелье, Франция, 1994), XXI Международной конференции по плазменной науке (ICOPS, Сайта Фе, США, 1994).
результатов, выносимых на защиту. Разработка в практическая реализация вксперкиентальныт иетоднк, весь комплекс измерений, а также аналитические в численные расчеты, результаты которых представлены в перечисленных выше работах, проведены автором настоящей работы самостоятельно. Вклад соавторов публикаций в представленные результаты заключается в следующем: BJL Фареник осуществлял общее научное руководство работой; А..В. Зыков принимая участие в постановке задач исследовании, обсуждении и интерпретации результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из 110 страниц основного текста, 35 рисунков, списка литературы из 96 наименований. Основной текст диссертации состоит из введения, двух глав и заключения.
