Введение к работе
Во введении дается , обсуждается . ее актуальность, цели и задачи исследования.
Первая глава является обзорной. В.ней рассматривается суцест-вующйе виды устройств со скрещенными ЕхН .полями, и их использование в современной технике. Приводятся данные по экспериментальному ; и теоретическому исследованию различных форм разряда низкого давления в магнитном.поле, а.также разрядов с полым катодом. .
Показано, что широкое использование з технике.' магнетронних систем распыления материалов-стимулировало в периую очередь исследования стационарных разрядов в скрещенных электрическом и магнитном, полях, отличающихся-.. сравнительно малой удельной мощность/о. Свойства этой формы магнетронного разряда изучены достаточно полно. В тоже время свойства разряда в области перехода от магнетронного разряда с растущей вольт-амперной характеристикой к дуговому разряду практически не изучены. Отсутсвуют обоснованны.! скс-перименталыше и теоретические данішє, поззоляісвіиє определить предельные рекимы магнетронного разряда в котором ^нкциотфуит большинство технологических устройств. -
Исследования мощных импульсных,разрядов ограничены короткими длительностями импульса, связанными'с развитием неустойчивостей и переходом разряда в дуговой,реяим. ;"."";;, ."-. .'.; .".;
Во второй глазе ..дается _ полное,- списание." экспериментальной.,-установки и диагностических методик,; включая-описание и.обоснова- , ние работоспособности тлпульсной бондовой, диагностики." ;,,:',. '."
Исследования,сильноточных форм.разряда .проводились с иополь-,' зованием разрядных устройств двух типов - пленарного магнетрона и. системы с полыми ілюфшшровашаши электродами. . .,,..' :'".\- ';.'
Пленарный магнетрон (рио. I) состоит из. плоского (катод), диа- ,.' метром 120 мм и кольцевого диаметром. ІбО^.мм. (анод), электродов,. :: помещенных, в магнитное' поле.. Магнитная система позволяет изменять '-'," размер области максимума радиальной .составляющей индукции магнит- ., ного поля и степень его неоднородности.:.. Устройство ;с .профклиро— '..'!; ванными электродами представляет собой два полых аксиально, сюлмет-^. ріташх электрода .-диаметром' 120 мм, 'помеченных в магнитное , поле типа "антипробкотрон". Объем.разрядной области,-ограниченной элек-" , тродами составляет ^103 см3. Профиль'электродов совпадал,с профи-, лем силовой линии магнитного поля, что обеспечивало перпендикуляр- : ность электрического и магнитного'"полей"вдоль поверхности катода.;'. Такая конфигурация полей позволила совместить сильноточный магнетронний разряд с разрядом с полым катодом.. -;,-
;Разрядные устройства помещались в Еакуумный объем. Минималь- , ное давление остаточного газа, составляет 8 10" Тор; , :
Создание, сильноточного квазистационарного ірекшла производилось путем пропускания через разрядный промежуток, прямоугольного импульса, тока. Оценки величина к времени установления квазистацш-нарной плотности, проведенные - для аргона-показали -необходимость -. предварительной ионизации n,»I0-»-I09cM~- а такжз определили требования к форме и параметрам импульса напряжения. В кгчестве источ- .'-" ника предварительной ионизации использовался стационарный магнетронний разряд с током до 300 иА. ,:...'. -'-''/.; ;
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию рехм-;.; мов и областей, существования, различных форм квазистацтапарного разряда и определению параметров газоразрядной шаз:ш, а, такие . анализу полученных результатов.;';.,'.''..; ,'v'-': :':;: ^\': '-v.'y -..* '. ,':' .".
Сильноточный разряд исследовался в,диапазоне токов IpjOT 5 А
.6
n
a;
Xfi:-;::-.- 'r--:-
*
:irrr?!Jtr>tr/Tirf}r.\
''... рис.1. Разрядные; устройства. .-
',. а/шанарннй: магнетрон. -,-'-.' .".
'; б. устроЙствО.с іірс^ищрованшми электродами
-..'-'..-у.'-':.-V>I.'--. катод, 2 -анод, 3 - магнитная система.
рйс.2 Сильноточный магнетронний рис.3 Сильноточный диффузный
разряд "(режим 2) . разряд -'(режим 3) Г. я - Си, р=5 Ю-3 тор, Аг ... I. - Си, р=10-1 тор, АГ
-
о. - Ті, р=5 Ю-3 тор, Аг/И2 2. о - Мо, р=І0_І тор, Аг
-
-Ті, р=ПГ2 тор, N2 З./.;- Mo, р=І0_І тор, Ar/S?6
-
x - Си, p=5 IQ"2 тор, He/H2 4. x - Си, p=IQ_I тор, Ке/Н2
-
+ - Си, р^ІСГ1 тор, Аг 5. + - Си, р=Г тор, He/Hg :i,2,3 - планарннй магнетрон, 4,5 - устройство с профклар. элэктр.
до 1.8 кА для давлений р=Ю~3+10 Тор газов Аг, N2. 57&, и смесей г-Н2, Аг-SFg различного процентного состава (10*90 % Аг), Не-Н-(50/50 %); различных конфигураций (планерного магнетрона и анти-. нробкотрона) и величин магнитных полей. Анализ полученных резуль- -татов позволил установить существование нескольких рекимов различающихся напряжением горения, диапазоном токов, а так же структурой разряда.
Типичные вольт-амперные характеристики сильноточного магнетронного разряда (режим' 2) представлены на рис.2 Характер.завися- . мости V (1 > одинаков для различных параметров р, Вх, а так. ие рода газа, материалов.катода,.'разрядных'устройств и размеров раз-; рядной области. Напряжение на разряде монотонно увеличивается с ростом тока до некоторого максимального значения УаХ2=50СЬ-1Ю0 В, зависящего от величины индукции магнитного поля, рода газа и мате- : риала катода до перехода разряда в сильноточный диффузный реним (режим 3) или срыва его в дугу. Для длительности импульса а до 20 мс токи перехода достигают 250 А, что соответствует плотности катодного тока 3==25 А/см2. Уменьшение величинн индукции магнитного поля приводит, к увеличению'разрядного напряжения Cffax(Bx) до неко-,, торого- значения напряжения о5, зависящего только от материала-катода и рода газа. Дальнейшее снижение Вг приводит к переходу-' разряда в высоковольтный ренздл, характеризующийся, крутым ростом ВАХ и малым (до I А) значением разрядного тока.
Характерной особенностью режима 2 является интенсивное за счет еысокой энергии и плотности ионного потока распыление материала катода. Импульсная скорость осавдения" материала катода в плоском магнетроне на установленный на" расстояние 120 ти от катодной кишели зонд-коллектор составляет & 80 мкм/мин. (газ - Аг, материал катода - Си, Гр=65А, V=SO0B) при полкой длительности импульса тока 25 мс. Исходя из измеренных плотностей тока и первоначальной плотности рабочего газа (гг„) был произведен расчет раановесной средней плотности атомов материала катода () в плазме разряда, определяемой,из одномерного уравнения непрерывности как /'.
'..' 1 Sr_K Рг пг(^ /<7К»
пк = *-*—— , (D
где ST , S„ „ ковффициенты распыления и самораспыления материала
8 .
катода, У^, ^средние, тепловые скорости атомов рабочего газа и материала катода,
Оценка для разряда в Аг, горящем на медном катоде при давлении 1"10~" Тор, 1„=65А, У=900В показала, что содержание меди в
. плазме может достигать в этих условиях 30 и расти с ростом степе
ни ионизации. .
Измерения плотности плазмы п^в области .прилегающей к коллектору показали, что для режима I =60А, К=900В nt составляет
.=*3'Ю12 см~3.,. .
. Характерные ВАХ сильноточного диффузного режима разряда (ре-
.. жим 3)для различных давлений, газов, материалов катодов, магнитных
. полей и условий предварительной ионизации приведены на рке.З . Анализ ВАХ показал, что напряжение разряда слабо зависит от геометрии и напряженности магнитного поля, а такке от материала катода и сохраняет постоянную величину IF =70+140 В в диапазоне токов ZLs&s-I.S'IO А. Существует слабая, (в пределах 50В), зависимость
.; его от рода газа. При переходе' в реким- 3 разряд распространяется на существенно большую поверхность катода чем в случае стационарного разряда.
Для определения параметров плазмы в режиме 3 была разработана специальная импульсная зондовая методика. Измерения параметров сильноточного квазистационарного разряда проводились в разрядном устройстве типа ацткпробкотрон для диапазона В=0*1 кГс, р=10~ 4-І Тор , токов разряда до 1500 А в различных газовых средах. Синхронизация подачи импульса напряжения на зонд осуществлялась с задержкой 100*500 икс относительно начала импульса тока разряда, т.е. измерения Те и nf производились после установления квазиста-ционврного режима сильноточного разряда.
Полученцме зависимости ионной концентрации в центре системы от тока нвазистацдонарного разряда в режиме 3 для различных давлений и индукции магнитного шля показывают практически линейный рост плотности плазмы с увеличением тока разряда и составляет в Аг от (2+2.5).1014 см~3 при токах 350*540 А до (1+1.5).1015 см-3 при токах II0Q+I4C0 А. Плотность ионного тока насыщения на зонд в этом
случае составляет Знас-П А/см . /Наблюдается{так же ростконцент- : : ч' рации ионов при увеличении давления; газа в разрядном промежутке,v : ; который.сопровождался уменьшением 'электронной температуры.-'} ;,';;: ;
Определение электронной.концентрации пе'плазма сильноточного::; '.,*'. квззкстационарного. разряда с; использованием лазерной диагностики;''"ч:.>:;; на основе активного трехзеркального'. двухмодовогр гелйй^неоновогЬ;:У'L-c лазерного интерферометра для различных давлений и индукций"'йагштА;'.,'.': ''. ного поля показало , практически линейный'.рост плотности плазмы 'с.;.'"'/,: увеличением тока разряда и составило \<Пд>^{2*8) 10 см- при то-: ч. ках разряда 1=350*1.2"10 А что удовлетворительно согласуется с.:"\-. данными зондовых измерений. ,"'."' '..-.. , '" ' -;';. .';'. -. .'..;.. ,"-',' ,- ';,::'; ',:....'.,.','.,' Ч--*;-
Сравнение зависимостей <пе>(1р) для лазерных и п{(1_) в цент-;.. ; ре симметрии электродной системы для зондовых измерений годтверя- /:''-...' дает высокую плотность плазмы и степень ионизациисильноточного.- L диффузного режима разряда низкого давления з скрещенных. ЕхН полях..
Качественная картина перехода сильноточного магнетронного;'-;: разряда в низковольтную - форму - по-видимому', аналогична; поведеншо .-; -,- .* аномального тлеющего разряда при средних давлениях ж больших плої- .':-' костях тока. В этом случае становится существенным нагрев газа и V рост электронной плотности, что способствует установлению.частич--ного равновестия в плазме разряда и переходу в "режим с меньшим .' напряжением горения... ... .:'-''.' .--:^:../- ч-f. чї-ЧЧЧї.'-, ч
Упрощенное квазистационарное уравнение для газовой температу-?<:"';.';
ры в режиме 2 имеет вид ' . ,'.'''-у--'/.: - .''.":.-": ;'-'
где Р - тепловая мощность расходуемая на нагрев газа,Г - уста-'..'. ;-1 .".-новившаяся температура газа, TQ .-- температура электродов, Ц„:-
масса газа в разрядном объеме, С_ - теплоемкость при постоянном ""'.''
% V \ ч '.' j ''!- Ч-/ -ч . ,- ,"<'':'.
давлении, тт=—2 *" частота теплооотвода, Х=^гп~:' ~ температуро-. : ;
Ajj. -.....'.. . .;- -.,. ''.-'..;_' - g р '.'/':.' '..'..:.:.' - '_.'.. проводность, Ат - характерная длина теплоотвода, X',— теплоповод-; кость газа, соответствующая установившейся температуре, Н - атом-,, ная масса, п„ - концентрация молекул газа. Уравнение баланса анер-, _ гии газа учитывает геометрию разрядной области, поэтому при оценке'"', V температуры реальный профиль электродов заменен плоским с площадью..." S и межэлектродным расстоянием I, соответствующим рабочему сечению при заданных режимах. Для плоского сдоя толщиной ZL h^L/%. Тепло-
вую мощность расходуемую на нагрев газа можно оценить из баланса
'. МОЩНОСТИ-
.^-:^'':'"".vw-й-; . г
, где IJJn '-. полнэя мощность выделяющаяся в разряднном объеме, . = - неупр ~ мо^ость выводимая из. разрядного объема за.счет ионизации,, є;- ззряд електрона, ІД] - константа Столетова, соответсвую-'..' щая величине Е/п характерной для катодного слоя.
: В условиях типичных для перехода разряда из режима 2 в режим .' 3:. Гр=*15 A, UD=s300 В, р=І Тор, В=0, рабочий газ Аг, эффективный .размер разрядной области: М см, S= 60 см2, температура газа ' может достигать' Т^йЛ эВ. ' ;
Из выранэния (2) следует, что ..'"
.'.- I и Е
.-Т.е.-температура газа не зависит от его. плотности. Действие магнитного поля сводатся к ограничеїшю электронной теплопроводности и обеспечению достаточного числа столкновений для эффективной передачи энергии от электронов газу.
Оценки плотности плазмы, , соответствующей температуре Т=Т =7,=1.1 эВ" показали,-что плотность плазмы при переходе разря-да в-режим 3 превышает пе>5.10 см .
Известно,., что механизм термоионизации требует существенна меньшего напряжения на разряде для поддержания тока, чем ионизация .электронным ударом, что по-видимому обуславливает переход разряда в кизкоЕольтаую форму..
Температуру газа и соответсЕувдую ей степень ионизации в режиме 3 также можно оценить из уравнений (2),(3), учитывая изменение баланса мощности. Баланс мощности, затрачиваемой, на нагрев .нейтрального газа в случае режима 3 имеет вид
Wp - ^(V i*V Рт0>
. где х( - энергия ионизации г.к. ростом тока в отличие^ от (3) возрастает доля энергии уносимой заряженными частицами. Пренебрегая температурой электродов TQ«f и считая 5у * Г_ для режима 3
т = -В-Е—е | г е . . . (4)
*№*+ ...';. .,,'- :.;',;'
Для типичных параметров разряда в режиме" 3 например 1=540 А, U =30 В, р=0.1 Тор, В=0.8 кГс-температура газа составляет ?cf&-z эВ, а для I =1500 А ї~~5.4 эВ* На основе соответствующих им зондо-шх измерений плотности плазмы можно оценить падение напряжения, на плазме разряда в этих случаях 17^40^-36.5 В, что определяет температуру газа 2^^3.2-3-8.5 эВ. Оценка температуры газа является явно завышенной за счет роста вклада излучения в потери тепла из разрядной области, однако свидетельствует о возможности поддержания высокой степени ионизации (ccsl) на стадии режима 3.
Из экспериментальных данных видно, что переход разряда в низковольтную форму возможен в условиях, когда плотность плазмы монет достигать некоторой критической вагшчины п^, соответствующей достаточно малому дебаевскому радиусу. Это позволяет предположить Сесстолкновителышй характер катодного слоя в рекиме 3. Сравнение 1К, соответствующего электронной плотности при которой происходит переход в реким 3 с длиной свободного пробега электронов ^еат; ^ei (высокие давления) и высотой траектории электрона над поверхностью
катода Л-е=^г при движении в. скрещенных полях (низкие давле-
ния) подтвердало указанное предположение во всем диапазоне токов перехода, давлений, магнитных полей, причем увеличение пе с ростом тока лишь усиливает условие 1^ Л-еат; ^е(; ?ie
Уравнение Пуассона для бесстолкновителыюго слоя разряда в режиме 3 по-видимому аналогично слою дуги с холодным катодом:
(Й7 ' ' ' ' ^/г
Je=SJ=eneYe . 0/2
jrd-s)j=en{vl у [ ау>
It-Tie*Т^-коэффициент вторичной эмисии обусловленный как ион-электронной так и фотоэмиссией. Считая, что на границе плазмы Е_ =0 при [Ы7„ получим, что величина катодного падения
1U1 Jv .
2/3
Из зондовых. измерений следует практически линейная зависимость плотности плазмы от тока разряда, в тоже время Z~—~-^ т.е.
tyj j—T72~f не зависит от / чтс> и наблюдается экспериментально.
Из вышеуказаного следует, что начиная с n^IQ *5 10і см сильноточный квазиотационарный разряд характеризуется наличием бесстолкновитэльного катодного слоя с, напряжением слабо зависящим от тока и областью плазмы, являющейся активной зоной разряда с преобладанием термического механизма ионизации.
В области низких давлений р<0.01 Тор и средних магнитных полей В<1 кГс, по-видимому необходимая плотность. плазмы не достигается и сильноточный магнетронний разряд (режим 2) существует в области больших токов, чем токи перехода, характерные для облзсти существования режима 3 и переходит непосредственно в дугу.
В четвертой главе рассматривсэтся возможность использования плазмы описанных форм разряда для технологических, целей. Применение сильноточного магнетронного разряда (режим 2) в технологии распыления материалов и нанесения покрытий позволяет не только существенно повысить интенсивность потока осазвдаемого материала или плотность плазма (свыше 2"1013 см-3) разряда, если осаэдение производится из плазмы, но и за счет регулирования времени воздействия потока распыленных частиц на обрабатываемый материал (например устанавливая время воздействия меньше характерных времен теплопередачи в обрабатываемом материале или характерных времен химических реакций на его поверхности) значительно повысить химическую чистоту и однородность напыляемых пленок, а так же достаточно эффективно определять температурный режим поверхности обрабатываемых материалов, в том числе нетермостойких.
Использование сильноточного диффузного разряда (режим 3) для генерации больших объемов плотной яг=*1.6 Ш'^см-3 однородной плазмы с отрывом температур 3*20 эВ, а так жэ интенсивных, до ІОІ2 А/сыг, ионных потоков с энергией ионов до 100 эВ позволяет существенно повысить зффективность ионно-стимулированного травления в
13 ..
микроэлектронике, а так же, осуществлять технологию контролирован- ./;.';
ного импульсного травления слоев. ' V' ;:*' ",-;'
В заключении приводятся основные результаты работы:
-
Проведены экспериментальные исследования.'квазистационар " ного разряда низкого давления в магнитных полях различной конфигурации. Определены области существования и реккмы двух 'сильноточных. .' форм разряда. " " .".'.. ''.'. ''
-
Обнаружена новая стабильная форма квазистационарного разряда в поперечном магнитном поле, являющаяся промежуточной стадией перехода от магнетронного разряда в дуговой и имеющая еледующие основные характеристики: напряжение горения =^100 В, время существования до нескольких миллисекунд, диапазон токов от 10 до 2 10 А. Предложена качественная модель поясняющая возможный механизм возникновения и существования указанной формы разряда...
3. Установлено существование.' сильноточных высоковольтных
режимов квазистационарного магнетронного разряда, отличающихся
высоким напряжением горения и длительностью.до 20 мс в сочетании с
большой плотностью катодного тока (до 25 А/см ).
4. Разработана импульсная зондовая диагностика для измерения
параметров плазмы плотностью до 10 см . ' -., .
5. Показана возможность получения плазменных образований
плотностью до 1.5 10 см в объеме свыше 100 см .обеспечивающих
эмиссию ионного пучка плотностью свыше 10 А/см2: с энергией до 100
ЭВ. ..''. . . ( .....'.: і ',- ;. , '' "'. ;'' Л-..' "" '; :
6. Показана возможность интенсивного катодного распыления и
создания потоков частиц распыленного материала с высокой. плот
ностью. . '.'''.''"';-" -":'.-'..'.' '''''':'"''.''.
