Введение к работе
Высокочастотный газовый разряд емкостного типа и комбинированный (ВЧ разряд с налохегошм на наго внэпним постоянным электрическим полам) разряд широко используются при различных технологических процессах: плазмшшоо травлоние и осавдзяие полупроводниковых материалов, анодизация кремния и алхмшшя, осазденив алма-.зоподоОннх гонких пленок, накачка газовых лазэров и т.д. При этом для оптимизации плазменных технологических процессов часто необходимо знать условия пробоя газэ в разрядном устройства, а также фор-ми стационарного горения разряда.'Поэтому численноэ моделирование и экспериментальное измерение кривых зажигания разряда в ВЧ однородном и кої.'.ЗшсїрОЕшашх полях, а также параметров разряда при различных раяима'х горения представляет значительный интерес.
В работа Нихары (1] проведен'математический анализ тэории элэкт рйчоских разрядов в газах путам подбора соотЕотствупцих моделей,-воспроизводящие процессы, возяикееепм при столкновении' электронов с молекулами газа, и основантаа на экспериментальных данных. Полученные результаты автор применил, в'частности, к рапению задачи о ЕЧ пробое для однородного поля* и диффузионного рэкета. При этом возможная вторичная електронная смиссия с поверхности элактродон пэ учитывалась. Однако,-полученной уравнение пробоя в ВЧ пола неудовлетворительно описывало вксперимантальнке кривые запитання [2J. Сен и Гош [з], стремясь улучакть соответствие теории [1] экспериментальным данным [г], предложили изменить численные значения молекулярных констант, исполъз'оаггашх в [1], определив'их но из вида Hi Kihara Ї. -Rev .Modem Phys., 1952, Т.4, p. 45-(2] Qithana S. - Phys.Rav., t940, 7.57, p.B22, [3] Sen S.N. and QMoBh A.K. т Indian Г.Иіуя'., 1963, V.36,. p.605. :
принятых моделей, а на основании экспериментальных данных. Однако . это не привело к предполагаемому существенному улучшению.
Как известно [4,5], в области малих давлений слева от минимума кривых зажигания ВЧ разряда имеется область неоднозначной зависимости пробойного ВЧ напряжения и - от давления газа р. При пони-Кении давления пробойное ВЧ напряжение сначала уменьшается, проходит через точку перегиба и минимум» затем растет и достигает первой точки поворота. ДальнеЯшин рост пробойного ВЧ напряжения происходит при увеличении давления газа, т.е. на кривой зажигания'ВЧ разряда наблюдается область неоднозначности. После прохождения второй точки поворота кривая зажигания ВЧ разряда отклоняется в область низких давления. При этом после' пробоя ВЧ розряд горит в сильноточной форме, остальные части кривых зажигания ответствешш за появление слаботочной Формы. Данную ветвь кривой закигания часто называют резонансной, вторично-эмиссионной (в [2] она названа ь-модой пробоя), при этом основным механизмом рождения заряженных.частиц является вторичная электронная эмиссия с поверхности электродов.-Ветвь кривой закиганияот перегиба до'точки, поворота можно назвать диффузионно-дрейфовой, т.к. для ее моделирования используют теории, учитыващие даф$узий*и дрейф заряженных частиц в ВЧ поле [1 ]: при этом справа от минимума кривой зажигания с ростом давления р про- . бойное ВЧ напряжение Upf увеличивается по линейному закону (а-мода пробоя [2]). Однако, после прохождения точки "перегиба [5] линейная зависимость vTf от р нарушается.
Вместе с тем, комбинированный разряд, соответствующий слабо-[4] Левитский СМ. - КТФ..1Э57, Т.27. с.970. Ы Кропогов Н.Ю., Качалов Ю.А... Реука А.Г., Лисовский B.JU, Его-- ренков В.Д. и Фарешш В.И., - Письма в ИФ, 1988, т.14, с.359.
точной форме ВЧ разряда, характеризуется немонотонной зависимостью пробойного ВЧ напряжения urf or приложенного постоянного напряжения tld . 0 увеличением постоянного напряжения пробойное ВЧ напряжение сначала растет (4,6-91, достигает.максимума и затем уменьша- , втся [4, 9]. В случае сильноточной формы ВЧ разряда наблюдается только монотонное уменьшение пробойного ВЧ напряжения U1.
Представляется целесообразным свести воєдино, многочисленные данные по пробою в ВЧ и комбинированных полях и объединить' их на
основе достаточно простой численной модели* параметры которой сле-
. *' дует, определить из эксперимента.
-Хорошо известно [4,10.115. что высокочастотный емкостной газовый разряд . может гореть' в одной из двух' заметно различающиеся форм, В слаботочном режиме (а- разряд) проводимость приэлактродных слоев, отделяющих.электроды от плазмы, мала. Ток между плазмой и електродами разрядной камеры замыкается преимущественно током смещения; при этом плотность тока невелика. В сильноточномрежиме (7-разряд) проводимость приэлектродных слоев значительна, причем оба слоя ведут себя подобно.катодному слов тлеющего.разряда постоянного тока, а самоподдаржание ионнвго тока на.электрод обеспечивается за счет ион-электронной емиссии и развития электронных лавин в слое.
[63 Kirotocr P.- Ami. der Phya., 1925, У.77, p.287,298.
І7] Kirohner:F.- Phya.Rev., 1947, 7.72, р.Э48. ,
[Bl Yarela A.A. - Fhys.Bev., 1947, 7.71,' p.12*.
[9] Sen S.W. and'Bhattaoharjee В.- Can.J.Phya.,1965,7.43;p.1543;
1966, 7,44, P^3270. [ЮЗЯценко H.A. - ЖГФ'. IS8I, t.6I. СІІ95. ' ''. 111] -Яценко H.A. - Иня.-фиэ.*,, IS92, т.62, 0.739.
Слаботочная форма наОлвдвется при аэ слишком больших токах и ВЧ на- . 'пряжениях на електродах, в сильноточная - при ВЧ напряжениях, превышающих некоторые критические величины. При средних давлениях (р Л і 10 Торр) ВЧ разряд переходит из а - в 7.- рэхим скачкообразно [10-14], при низких (р < ои Торр) давлениях - непрерывно [14,153, в то время как. при промекуточных давлениях { р ~ I, Торр ) и достаточно больших межэлектродшх расстояниях (і* 4-5 см) с ростом ВЧ напряжения наблюдается последовательный переход ВЧ разряда из слаботочного в а - у гибридный и затем в сильноточный режим горэ-. ния (153. Переход разряда из а- в ч- ревим 10-15] сапровоздвется значительным увеличением (в несколько раз) разрядного тока и плот-. вости плазмы. Вместе с тем, при переходе ВЧ рвзряда в инертных газах из слаботочного в сильноточный реккм наблвдается область отрицательной дифференциальной проводимости [16,17], т.е. о ростом ВЧ напряжения ток проводимости в цепи электродов уменьшается, достигает минимума и лишь затем быстро увеличивается. Представляет интерес выяснить физические.процессы, происходящие а ВЧ разряде в инертных газах при переходе из а- в 7~ рэким горения.
В отличие от высокочастотного и тлеющего разрядов, структура которых изучена довольно детально, вопрос о структуре комбинирован-[12] Vidaud F*. Durrani З.Н.А., Hall D.K.- J.Phyo.D,1988,7.21,p.57. (131 Vitruk У.Р., BakefH.J., Hall D.R.- J.PhyB.D,1992,V.25.P.1767. [14] Райзвр Ю.П. и Шнайдер M.H. - Физика плазмы, 1987,т.13, с.471. [15] Oodyak Т.А., Khameh A.S.- IEEE Trann., 19S6, Y.PS-14, p.112. [16] Кропотов H.D, Лисовский В.А* Егореяков В.Д. и Фвреник В.И.-
Мат. 2 Всес сов. по ВЧ разряду в волноенх полях,Куйбышев,1939,с. [17] Кропотов H.D, Лисовский В.А., Качалов D.A., Егоренков В.Д. и
Фареник В.И.-Письма .в ЖГФ, 19в9, т.15, в.21, с.17.
його разряда остается открытым. Для поперечного комбинированного разряда ранае было получено На], что а области давлений IQ - 10 Торр могут существовать три типа разрядов: тлещий разряд посто-. янного тока, в котором под действием ВЧ поля создается незначитель-. ная дополнительная ионизация; типичный ВЧ разряд, в котором влвкт-рода постоянного поля действуют как двойной зонд и собирают токи, ограниченные пространственными зарядами; промежуточный тип разряда, в котором ВЧ пола создает достаточно ионов для значительного изменения катодного падания тлвщего разряда. Радиальный оптический вниссионный профіль разряда постоянного тока, поперечного безвлект-родяого ВЧ,разряда и их комбинации измерен в [193, а поведение постоянной оаотнвляяцэй потенциала плазки продольного камОинированно-го разряда творатаческн к експериментально рассмотрено в [го] в двух предельных случаях: влияние постоянного напрягения па. ВЧ разряд и.влияниа ВЧ напряханил на разряд постоянного тока..
Для выявления физических закономерностей высокочастотных систем емкостного типа и повышения гффедтиннасти их использования в технологии была сформулирована Цель_вботу:
объединять разрозненныеЕксггерикептальнш и теоретические"данные п построить одинув фбкошнологичэскуп кпртнну пробоя газа и структуры разряда в ВЧ и ко?4бннирозЕнпих полях. '
Для достйжоепя 'поставленной цеди потребовалось решение сле
дующих задач: .
[18] .YassmotQ К., Okuua Т.- Appl.Boieni.Res.(Hague), 1355,V.B5,p.U4.
[19] Qoiohman Y.H., Qoldlarb Т.Н., Tenulei* Ц.В.-Proo. 12th Int.
Conf. on Phenoaena In lonieei'(Заява (Sin
J. Appl.Phye», 1985, -V.57, p.59.
I. Экспериментально и теоретически исследовать пробой газа 'низкого давления в высокочастотном однородном поле и получить простые аналитические выражения, хорошо описывающие экспериментальные кривые зажигания ВЧ разряда в широком диапазоне давлений газа, ВЧ напряжений и межэлектродных расстояний.
?,. Экспериментально и теоретически выяснить влияние постоянно
го электрического поля на ВЧ пробой газа низкого давления и иссле-
' довать структуру .и формы существования возникающего продольного ком
бинированного разряда. t .
3. Изучить явления в газоразрядном промежутке, сопровождающие, возникновение отрицательной диф!»ренцивльной проводимости ВЧ разряда в инертных газах при переходе из слаботочного в сильноточный режим горения.
*' ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.
I. Значения молекулярных констант и агшроксимационные выражения для экспериментальных кривых зажигания ВЧ разряде.-
Z. Факт существования точки перегиба на кривой зажигания раз-
*
ряда в постоянном электрическом поле и его теоретическое обоснова- '
ние. . . ,.'''.
-
Существование области неоднозначности.на кривой зажигания разряда в -комбинированном поле и результаты исследования зависимости ширины области от постоянного электрического поля.
-
Выражения для. уравнений пробоя ' в комбинированном поле для-, случаев слабого й сильного постоянного электрического поля.
-
Вывод о существовании трех форм горения продольного комби- . нированного разряда, низкого давления...
. 6. Существование немонотонного поведения плотности плазмы в ' . ВЧ разряде в аргоне в области промежуточных давлений.
Пряктическая_ценность_работы.
Результаты данной работы могут быть использованы при разработ-ке плазменного технологического оборудования для реактивного ионно-лучевого травления полупроводниковых и диэлектрических материалов.
Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1 - 8 ] И доклпдавялись на VI Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений'с плазмой (Душанбе/1991), II Межотраслевом научно-техническом.семинаре "Физические основы и новые направления плазменной технологии в микровлектроиике" (Харьков, 1991) и Мевду-' народной конференции "Физика на'Украине" (Киев, 1993). ' .
Диссертация состоит из введения, четырех глав а двумя таблицами и - 30 рисунками, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 74 наименования. Общий объем работа 92 страниц.'
.?,. содержании работы.- .''.'
?_ЗвЕЁО?_Г_:2а описана экспериментальная установка, диагностическая аппаратура ' и методы исследования. Указаны-диапазоны давлений газа, ВЧ и постоянного напряжений, в которых проводились исследования разрядных характеристик. ..;
Вд_второй_главе экспериментально и теоретически исследован 'пробой-газа низкого давления в.однородном высокочастотном поле, а также в постоянном электрическом поле. На основе анализа.уравнения
Китары для ВЧ пробоя и экспериментальных кривых "зажигания. состав). на таблица молекулярных констант для десяти газов и перон. Из експериментальних кривых, аахиганкя методом наименьших квадратов получены ашфоксимационныа формулы, рписыващие различные участки (вкь ричво-емиосионкыи, диффузионно-дрейфовый:, участки и участок; справа от точки перегиба) кривых аакигашш. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено наличке точки' перегиба на кривой зажигания разряда в поогоянном электрическом пола,' а таюкэ 'выведены'простые соотношения ыавду нвгфяшішяші и давлениями в то'чкв перегиба и минимуме, соответственно. "...-
1Ш23_51 посвящена влиянию постоянного еле'ктрыеского по- :
ля на'кривые зажигания БЧ разряда, в "частности, на область ноодно-
вначной зависимости пробойного ВЧ напряжения от .давления газа. Вы
веданы ' уравнения пробоя, .описывающие експеримэнтальнае'-кривнв аа
кигашш при различном соотношении величин постоянного и ВЧ напря-'
: яанна для двух предельных случаев:' случай слабого и случай сильно
го постоянного электрического поля. Исследованы форма горения,- осе-.
вая структура и вольт-амперные характеристики продольного комбини- -
ровднного разряда низкого давления. ..'
В_зат|ртой_главе рассмотрены особенности перехода ВЧ разряда низкого давления в аргоне из слаботочного.в сильноточный ракам го- .' рения в' давпаасве давлений, при которых наблюдается отрицательная. . даЫюренцавльная проводимость. Экспериментально обнаружена и-наследовано область немонотонного поведения плотности плазмы в центральной части ВЧ разряда, а также измерены параметры возникающей при атом ионизационной нэуотойчивооти. Изучено влияние молекулярной добавки (воздуха) в аргоне нв характеристики ионизационной неустойчивости к на область немонотонного поведения плотности плазмы. На
'/ *
основа полученных рэзультагов предложено распространить область t шествования а - 7 гибридного ВЧ рвзряда в диапазон низшие давлений газа и нэбольших мэквлэктродннх промежутков.
_закящоши кратко сформулированы основше результаты работы;
