Высокочастотный разряд и его приложения в плазменной технологии и лазерной технике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РГ5 Со

На правах рукописи

СМИРНОВ Александр Сергеевич

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ В ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКЕ

01-04-08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени диктора физико-математических наук

Санкт-Петербург, 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном техническом университете.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, професор С.В.Бобашев, доктор физико-математических наук, професор Ю.П.Райзер, доктор физико-математических наук, професор А.Т.Рахимов.

Ведущая организация: НИИЭФА им. Д.В.Ефремова.

Защита состоится " 11" 1995 года в часов на

заседании диссертационного Совета Д 003.23.01 при Физико-техн: чесском институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе.

Автореферат разослан "_ _1995 г.

Ученый сек[ 'тарь

диссертационного Совета Д 003.23.01 к.ипилат физ.-мат. наук

АЛ.Орбелн

Актуальность проблемы. Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальном;' исследованию высокочастотных разрядов и ах приложений в плазменной технологии и лазерной технике. Хотя первые эксперименты с высокочастотными разрядами были проведены еще в XIX веке, широкий интерес к ким стал проявляться в семидесятых годах двадцатого столетия. Это было связано, в первую очередь, с попытками использовать емкостной высокочастотный разряд для накачки газовых лазеров. Высокочастотный разряд по сравнению с разрядом постоянного тока обладает рядом преимуществ, связанных с отсутствием необходимости помещать металлические электроды внутрь разрядной камеры и возможностью использовать диэлектрические стенки камеры в качестве распределенного балластного сопротивления. Однако, уже первые эксперименты показали, чтб перспективы использования высокочастотных разрядов определяются решением ряда физических и технических проблем, в первую очередь относящихся к приэлектродпым слоям. Как показали эксперименты, в приалектродных слоях сосредоточено основное падение напряжения, что приводит к дополнительному тепловыделению и ионной бомбардировке электродов. От свойств слоев зависит режим горения разряда, распределение энерговклада по сечению разрядного промежутка и по степеням свободы газа.

Другим важным применением высокочастотных разрядов является плазменная технология травления и нанесения пленок в микроэлектронике. В плазме происходит диссоциация молекул исходного газа с образованием атомов или радикалов, активно озаимодействующих с поверхностью твердого тела. Взаимодействие радикалов с поверхностью иоапожки

происходит в присутствии ионной бомбардировки, которая оказывает существенное ачияние на характеристики процесса и свойства пленки. В частности, ионная бомбардировка приводит к тому, что травлепие в плазме высокочастотного разряда, в отличие от химическою, является анизотропным и позволяет получать структуры, Шубина (высота) которых значительно превышает ширину. Это является исключительно важным для создания микросхем с высокой степенью интеграции. Кроме того, ионная бомбардировка может приводить к образованию или, наоборот, отжигу дефектов в полупроводнике. Очевидно, что процесс травления или нанесения пленок, а также их свойства существенно зависят от свойств плазмы и приэлектродных слоев. Следовательно, оптимизация существующих технологичесхих процессов и разработка новых невозможна бел глубокого понимания физических процессов в высокочастотном разряде.

К моменту начала данной работы (1981 г.) отсутствовала физическая картина процессов в приэлектродных слоях, позволяющая рассчитывать их параметры и предсказывать эффективность применений высокочастотного разряда. В этой связи представляется актуальным теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в плазме и приэлектродных глоях высокочастотного разряда.

Целью. . настоящей_работы является теоретическое и

экспериментальное исследование физических процессов в плазме и приэлектродных слоях высокочастотного разряда, разработка простых анатитических моделей, позволяющих качественно описать параметры высокочастотного разряда при низком и высоком давлении, а также проводить численное моделирование разряда с малыми затратами м.итшнот времени; экспериментальная проверка основных положений и

шводов из теоретического рассмотрения; разработка методов диагностики шсокочастотного разряда; проведение исследований плазмы и зриэлектродных слоев высокочастотного разряда, используемого для закачки газовых СОг лазеров и в технологических процессах, и выработка рекомендаций по оптимизации этих устройств и процессов.

прежде всего широким использованием высокочастотных разрядов для «качки газовых лазеров и в микроэлектронной технологии. В результате проведенных исследований создана простая модель, позволяющая описать зриэлектродные слои высокочастотного разряда низкого и высокого ивления и рассчитывать их параметры применительно к конкретным устройствам. Разработаны пути оптимизации газовых лазеров, выработаны сритерии для выбора частоты накачки, конструкции электродных систем и :хем согласования для СОг лазеров. В результате работы были выработаны гребования к транзисторным источникам высокочастотной мощности для гакачки волноводных лазеров и разработаны источники, работающие в >азличных частотных диапазонах. По результатам, связанным с работой, юлучено 12 авторских свидетельств на различные элементы конструкции ¡азервв. В результате проведенных исследований были определены шмитирующие процессы при травлении полупроводниковых соединений

в хлорсодержащих смесях, что позволило оптимизировать процесс гравления и получить высококачественные образцы лазерных диодов.

Научная новизна.

1. Впервые предложено для описания приэлектролных слоеп !ысокочастотного разряда использовать усредненное по времени уравнение [вмжемия нонов. В результате разработана прыгая очосии уршчч>пп'',

. проведенных исследований определяется

позволяющая качественно оценизать параметры плазмы н приалектродных слоев высокочастотного разряда высокого и среднего давления и производить численное моделирование с малыми затратами машинного времени.

2. Впервые с помощью наблюдения свечения плазмы с пространственным и временным разрешением экспериментально показано, что различие между а- и у- разрядами определяется механизмом ионизации в приэлектродных слоях.

3. Разработаны методы СВЧ диагностики плазмы высокочастотного разряда в лазерных и технологических системах. Проведенные измерения электронной концентрации показали, что концентрация отрицательных ионов может более чем на порядок превышать концентрацию электронов и доля ионной проводимости может достигать десятков процентов.

4. Впервые показано, что малая добчвка электроотрицательного газа приводит к резкому (на порядок) падению электронной концентрации в положительном столбе плазмы ВЧ разряда низкого давления, в то время как электрические характеристики разряда практически не меняются.

5. Проведены измерения фазы коэффициента отражения высокочастотной мощности от волноводнего лазера с ВЧ возбуждением. Показано, что фаза является наиболее чувствительным параметром при изучении опто-гальванического эффекта.

6. Проведены исследования энергетических спектров быстрых у-электронов в высокочастотном разряде. Впервые определены значения коэффициента вторичной электронной эмиссии в условиях разряда.

1. Свойства приэлектродных слоев высокочастотною разряда с высокой точностью описываются усредненными по быстрым электронным движениям уравнениями.

2. Различие между а- и у- разрядом определяется механизмом ионизации в слое. В а-разряде ионизация осуществляется плазменными электронами в плазменной фазе, а в у-разраде электронами, эммитированными т электрода в фазе пространственного заряда.

3. В высокочастотном разряде низкого давления нагрев электронов происходит в приэлектродных слоях, поэтому концентраций ионов в слое возрастает пропорционально плотности тока, в то время как концентрация в положительном столбе возрастает пропорционально где п = 1.5 ч- 2.

4. Высокочастотный емкостной разряд в потоке газа между электродами, покрытыми диэлектриком, обладает повышенном устойчивостью к шнурованию, по сравнению с разрядом постоянного тока, и является перспективным методом накачки мощных газовых лазеров.

5. Дополнительный нагрев за счет ионного тока в приэлектродных слоях, а также отсутствие конвективного охлаждения приводят к перегреву газа у поверхности электродов. Нагрев газа в ядре потока и распределение коэффициента усиления хорошо описывается в рамках кинетической модели разряда с коэффициентами, усредненными по периоду электрического поля.

6. В разряде в потоке воздуха при малых плотностях тока (-3+4 мкА/см2) электронная концентрация на два порядка меньше конной, а ионная проводимость составляет по ,40% от полной. С ростом тока доля ионной проводимости уменьшается, а электронная копнен грация приближается к ионной и при }~7 мкЛ/см2 они сравнииаются. И паюрнмч

смесях ионная проводимость несущественна во всем исследованном диапазоне условий. Измеренные значения электрического поля в высокочастотном разряде больше, чем в разряде постоянного тока в сходных условиях, но меньше, чем следует из равенства коэффициентов иониЗации и прилипания. Из сравнения результатов измерения с численным моделированием следует, что в отличие от разряда постоянного тока в потоке газа в высокочастотном разряде выполняется локальный баланс числа частиц, в котором существенную роль играет отлипание.

7. Из-за больших потерь мощности в приэлектродных слоях на частотах до 10 МГц может использоваться только продольная накачка. Поперечная накачка становится эффективной при частотах больше 80 МГц. С точки зрения накачки лазера безразлично, какой режим разряда: а- или у-осуществляется в конкретных условиях, важна лишь величина плотности тока, а также частота и давление, которые определяют потери в слоях.

8. Малая (до 10%) добавка электроотрицательного газа (хлора) приводит к резкому (на порядок) падению концентрации электронов в положительном столбе из-за прилипания в образования отрицательных ионов, в то время как концентрация в приэлектродных слоях и, соответственно, электрические характеристики разряда меняются незначительно.

9. Энергетический спектр ионов определяется ускорением в среднем поле у электрода. Спектр электронов состоит из плазменных тепловых электронов и у-электронов, ускорившихся в слое у противоположного электрода. Энергия у-электронов у заземленного электрода близка к удпо1 миому шачению амплитуды приложенного к электродам напряжения.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на VI Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Ленинград 1983, VII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Ташкент 1987, VIII Всесоюзной конференции "Физика низкотемпературной плазмы", Минск 1991, IV Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Махачкала 1988, V Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Омск 1990, XVII Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, Будапешт 1985, XIX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, Белград 1989, XXI Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, Бохум 1993, II отраслевой научно-техннческей конференции "Лазерная техника и оптоэлектроника", Рязань, октябрь 1986, V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград 1986, VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград 1990, Ш Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом", Москва 1989, Всесоюзном семинаре по высокочастотному пробою газов, Тарту 1989, XI Всесоюзной конференции "Генераторы низкотемпературной плазмы", Новосибирск 1989, X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва 1991, Международной конференции по микролитофафии, Рим, 1991, ESCAMPIG 92, Санкт-Петербург, 1992, конференции "Физика и техника Плазмы", Минск 1994, а также на семинарах в ФТИ им.Л.Ф.Иоффе, ИОФАН, НИИЭФА имД.В.Ефремова, ГОИ им. С.И.Вавилова, инстнтуге проблем механики РАН, НИИЯФ МГУ.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации - 305 страниц текста, 81 рисунок, 3 таблицы, список литературы содержит 207 наименований.

В первой главе проводится теоретический анализ приэлектродных слоев высокочастотного разряда среднего и высокого давления, коша частота столкновений электронов с тяжелыми частицами такова, что время установления функции распределения меньше периода электрического поля. В этом случае ионизация определяется локальным мгновенным значением электрического поля. Получена система усредненных уравнений, описывающая движение ионов в слое. Показано, что электроны в плазме движутся по периодическим траекториям, причем крайняя траектория касается электрода. Эта траектория является граничной между квазинейтральной плазмой и областью пространственного заряда. В плазме ток переносится электронами. В слое попеременно существует фаза пространственного заряда, когда ток переносятся током смещения, н плазменная фаза, когда ток переносится электронами. Движение ионов определяется усредненными тектрнческпип паяг^я. Усредненное воле в плазменной фазе пропорционально градиенту концентрации в описывает так называемую высокочастотную диффузию. Усреднение поля в фазе пространственного заряда дает конвективный член в уравнение непрерывности ионов. Полученное уравнение движения ионов анализируется для случая несамостоятельного разряда, а-разряда, коща ионизация в слое происходит в п-чзменной фазе электронами плазмы, и у-разряда, коща ионизация в слое происходит в фазе пространственного заряда электронами, эмитированными из электрода. Получены решения, описывающие профиль концентрации ионов в плазме и в слое вдали от границы, где можно

пренебречь диффузией, а также простые оценки для параметров слоя. В а-: режиме из-за экспоненциальной зависимости частоты ионизации от электрического поля концентрация ионов в слое близка к концентрации в положительном столбе и возрастает линейно с плотностью разрядного тока. Толщина слоя при этом слабо зависит от тока, а вольт-амперная характеристика является растущей. Ионизация у-электронами резко возрастает с ростом электрического поля в фазе пространственного заряда и толщины слоя. В результате концентрация ионов в слое в у-режиме может превышать концентрацию в положительном столбе. В у-разряде, как и в разряде постоянного тока, наблюдается эффект нормальной плотности тока. Получена приближенная формула для нормальной плотности тока и нормального при электродного падения напряжения. Показано, что приближенные решения близки к точному численному решению усредненной системы уравнений, а то, в свою очередь, совпадает с результатами численного моделирования. Рассчитана вольт-амперная характеристика приэлектродных слоев разряда, получен критерии перехода из а- в у-разряд.

Во второй главе анализируются процессы в приэлектродных слоях разряда низкого давления, когда длина энергетической релаксации электронов превышает размеры слоя и межэлектродного зазора. В этом случае электрон движется в области плазмы с сохранением полной (кинетической плюс потенциальи й) энергии. Ионизация происходит в центральной области плазмы, где минимальна потенциальная энергия и максимальна кинетическая, а нагрев электронов определяется средним по области движения электрона электрическим полем. Так как концентрация в слоях из-за выноса ионов на электрод значительно меньше, чем п

положительном столбе, ачектрическое поле там в плазменной фазе значительно больше. Следовательно, в широком диапазоне условий нагрев электронов определяется электрическим полем в слое. Поскольку величина среднего электрического поля в разряде задается балансом числа частиц и слабо зависит от тока, электрическое поле в слое в плазменной фазе является постоянным. Отсюда следует, что концентрация ионов в слое должна быть пропорциональна плотности разрядного тока, а толщина слоя постоянна. Концентрация же в положительном столбе определяется из равенства ионных потоков в плазме и слое и возрастает быстрее, чем в слое (пропорционально ]" гае п = 1.5 +■ 2). Приведены простые формулы, позволяющие оценить параметры высокочастотного разряда низкого давления в режимах столкновительного и стохастического нагрева электронов. .

Третья глава посвящена СВЧ методам диагностики газоразрядной плазмы. В отличие от разряда постоянного тока в высокочастотном разряде с электродами, покрытыми диэлектриком, уже измерение разрядного тока и напряжения представляет сложную заначу. В этой связи особый интерес представляют СВЧ методы диагностики, позволяющие непосредственно определять концентрацию электронов. Для исследования плазмы в быстропроточных лазерах был разработай 8-ми миллиметровый СВЧ интерферометр. Интерферометр позволяет надежно измерять сдвиги фаз Лф~0.5°, что соответствует концентрации электронов п~(1.5-15)109 см"3 при давлениях р=0.001 +70 Тор и ширине разрядной зоны 1=21 см. Интерферометр использовался для измерения концентрации электронов в высокочастотном разряде в потоке газов при давлениях 17+70 Тор и в

установке для плазменного травлений, а также при исследованиях неравновесной концентрации в сверхзвуковом потоке азота.

Для измерения концентрации электронов в лазерных трубках малого диаметра было предложено использовать открытый цилиндрический резонатор. Измерения, проведенные в разряде в гелии и в лазерных смесях, показали, что в лазерных смесях доля тока, переносимого ионами, может достигать 15%, что свидетельствует о большой концентрации отрицательных ионов. Анализ уравнений баланса заряженных частиц позволил оценить значение константы отлипания к(1=у11ЛЧ=1.5*10"'4 см3/с.

Для измерений концентрации электронов в планарных диодных технологических системах предложено использовать открытый СВЧ резонатор типа Фабри-Перо. В качестве зеркал резонатора могут быть использованы электроды, между которыми зажигается разряд. Эксперименты показали, что нижняя граница определяемых концентраций составляла величину п,гаП = 4»108 см"3. Преимуществом предложенного метода, кроме увеличения точности измерений и расширения диапазона применимости, является достоверность интерпретации результатов измерений, что определяется совпадением объема исследуемой плазмы с объемом, занимаемым СВЧ полем в резонаторе. Отсутствует влияние металлических стенок разрядной камеры. Несомненным достоинством метода является возможность его применения в большинстве технологических промышленных установок, не имеющих необходимых диагностических окон в вакуумной камере, для организации метода зондирования.

В__„четвертой__главе приведены результаты исследования

высокочастотного разряда в потоке газа, используемого для накачки быстропроточных СОг лазеров. Эксперименты проводились в потоке

воздуха, азота и лазерной смеси СО2 : N2 : Не = 1 : 12 : 8 при давлениях р = 20 + 130 Тор и скоростях потока V = 30-100 м/с в канале сечением 25x3.5 см2. Так как электроды отделялись от разряда слоем диэлектрика толщиной порядка 1 см, на котором падала значительная часть приложенного напряжения, измерение разрядного тока и падения напряжения невозможно было проводить непосредственно. Поэтому вольт-амперная характеристика вычислялась по результатам измерений напряжения на электродах, тока и вкладываемой в разряд мощности с использованием эквивалентной схемы разрядной камеры. Проводились измерения электронной концентрации в разряде с помощью СВЧ> интерферометра, распределения газовой температуры по сечению разряда с помощью лазерной топографической интерферометрии и при разряде в лазерной смеси коэффициента усиления излучения на длине волны 10.6 мкм. Кроме того, проводились наблюдения свечения плазмы из различных областей разряда и скоростное фотографирование неолнородностей плазмы с помощью лупы времени ЛВ-04. Эксперименты показади, что высокочастотный разряд более устойчив по отношению к развитию контракции, чем разряд постоянного тока. Получен однородный разряд при вкладе мощности до 15 Вт/см3 в давлении до 200 Тор. Фотографирование развития неоднородностей показало, что контракция в высокочастотном разряде возникает в объеме плазмы, а не у электродов, как в разряде постоянного тока. Измеренные значения элек грического поля в высокочастотном разряде больше, чем в разряде постоянного тс а в сходных условиях, но меньше, чем следует из равенства коэффициентов ионизации и прилипания. Из сравнения результатов измерений с численным моделированием следует, что в отличие от разряда постоянною -тока в потоке газа в высокочастотном разояде выполняется

локальный баланс числа частиц, в котором существенную роль играет отлипание. СВЧ измерения показали, что в разряде в воздухе при малых плотностях тока (~3-г4 мкА/см2) электронная концентрация на два порядка меньше ионной, а ионная проводимость составляет до 50% от полной. С ростом тока доля ионной проводимости уменьшается, а электронная концентрация приближается к ионной и при мкА/см2 они сравниваются. В лазерных смесях ионная проводимость несущественна во всем исследованном диапазоне условий. Измерения колебаний свечения плазмы показали, что в объеме плазмы интенсивность ионизации имеет два максимума за период, соответствующие максимальным значениям электрического поля. В при-шектродных слоях в сильноточном режиме наблюдался одйн максимум свечения за период, сдвинутый по фазе относительно максимумов в плазме на величину порядка л/2. В слаботочном режиме наблюдалось два максимума свечения в слоях, временное положение которых зависело от расстояния до электрода. Эти измерения позволили однозначно установить соответствие слаботочного и сильноточного режимов с а- и у-режимом разряда и показать, что различие между ними определяется механизмом ионизации в слое. Исследовано распределение нагреца газа по сечению высокочастотного разряда в воздухе и лазерной смеси. Обнаружен значительный перегрев газа в приэлектродных областях, связанный с дополнительным прямым нагревом за счет протекания ионных токов и уменьшением конвективного теплоотвода в пограничном слое. Показано, что нагрев газа в ядре потока хорошо описываскгя в рамках кинетической модели разряда с коэффициентами, усредненными по периоду электрического поля. Измерения коэффициента усиления лазерной) излучения показали, что высокочастотный разряд поичпя^I поручать

инверсную населенность в потоке газа при давлениях до 130 Тор. Значения коэффициента усиления совпадают с расчитанными по кинетической модели с усредненными па периоду значениями коэффициентов. Продемонстрирована перспективность использования высокочастотного разряда для накачки быстропроточных СОг лазеров.

волноводных СОг лазеров. Эксперименты проводились в частотном диапазоне 1-И00 МГц с продольным и поперечным разрядом. По данным измерений вкладываемой мощности, тока и напряжения на электродах на низких частотах и амплитуды и фазы коэффициента отражения на высоких частотах с использованием эквивалентной схемы разрядного промежутка был произведен расчет приэлектродных падений напряжений и выделяемой мощности в лазерных трубках. Результаты измерений удовлетворительно описываются в рамках простых моделей, описанных в главе 1. Показано, что с точки зрения накачки лазера безразлично, какой режим разряда: а-или у- осуществляется в конкретных условиях, важна лишь величина плотности тока, а также частота и давление, которые определяют потери в слоях. Из-за больших потерь мощности в приэлектродных слоях на частотах до 10 МГц может использоваться только продольная накачка. Поперечная накачка становится эффективной при частотах больше 80 МГц. Разработаны конструкции лазерных трубок, системы согласования и малогабаритные транзисторные источники мощности для накачки волноводных лазеров в различных частотных диапазонах. Исследован опто-гальваническин эффект в СОг лазере с накачкой на частоте 80 МГц. Показано, что при активном эквивалентном сопротивлении нагрузки,

посвящена исследованию высокочастотной накачки

большем, чем сопротивление подводяшей линии, наиболее чувствительной характеристикой является фаза коэффициента отражения.

В шестой главе приводятся результаты исследования высокочастотного разряда низкого давления, используемого в плазменной технологии. Эксперименты проводились на установке RDE-300 фирмы ALCATEL, использовавшейся для реактивного ионного травления соединений An,BV- Исследовался разряд на частоте <о/2я = 13.56 МГц в аргоне, кислороде, метане, хлоре, смесях Ar : CI2, СН4 : H2 при давлениях р = 0.1 - 10 Па. В процессе экспериментов измерялась вкладываемая в разряд мощность Q, высокочастотное Urf и постоянное Usb напряжения на электроде, высокочастотный ток спектры собственного излучения плазмы. По величине тока и напряжения рассчитывалась толщина слоя и концентрация ионов а нем. Электронная концентрация в положительном столбе плазмы измерялась с помощью 8-мимиллиметрового СВЧ-интерферометра. Эксперименты показали, что концентрация в слое возрастает пропорционально плотности разрядного тока, в то время как концентрация в положительном столбе возрастает гораздо быстрее (пропорционально току в степени 1.7). Этот результат подтверждает правильность изложенных в главе 2 представлений о том, что нагрев электронов в разряде низкого давления происходит, в основном, в приэлектродкых слоях. В результате величина электрического поля а слоях задается условием баланса частиц и слабо зависит от разрядного тока. Отсюда следует, что проводимость в слоях в плазменной фазе и концентрация должны быть пропорциональны плотности тока. Обнаружено, что малая (до 10%) добавка электроотрицательного газа (хлора) в разряд в аргоне приводит к резкому (на порядок) падению концентрации электроиоп

в положительном столбе из-за прилипания и образования отрицательных ионов, в то время как концентрация в приэлектродных слоях и, соответственно, электрические характеристики разряда меняются незначительно. С помощью четырехсеточного анализатора, расположенного за заземленным электродом, проведены измерения энергетических спектров заряженных частиц, бомбардирующих электрод в высокочастотном разряде. Показано, что энергетический спектр ионов определяется ускорением в среднем поле у электрода. Спектр электронов состоит из плазменных тепловых электронов н у-алектронЬв, ускорившихся в слое у противоположного электрода. Энергая у-электронов близка к удвоенному значению амплитуды приложенного к электродам напряжения. Из измеренных значений электронного й ионного токов при различных потенциалах коллектора определены значения эффективного коэффициента вторичной ион-электронной эмиссии в условиях высокочастотного разряда. Показано, что величина у достигает 0.55, причем основной вклад в эмиссию дают не ноны, а нейтральные частицы (фотоны, возбужденные атомы). Проведены измерения вторичной электронной эмиссии с электродов в условиях разряда. Показано, что вторично-эмиссионное размножение электронов может дать вклад в поддержание разряда на высоких частотах. Проведено исследование параметров плазмы и режимов травления СаАэ в смесях аргона с хлором. Показано существенное различие режимов с высоким и низким содержанием хлора, реализованным различными способами. Уменьшение содержания хлора позволяет значительно снизить поступление примесей в плазму, обеспечить высокое качество и ашпотропию получаемых структур при достаточно высокой скорости

травления (-0.1 мкм/мин) и значительном уменьшении мощности разряда и напряжения автосмещения.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы из работы:

1. Предложен новый подход к описанию приэлектродных процессов в высокочастотном емкостном разряде, основанный на усреднении по быстрым электронным движениям. Получены уравнения, описывающие движение ионов в усредненных по времени электрических полях в столкновительном режиме. Усредненное по времени электрическое поле в плазменной фазе пропорционально градиенту концентрации плазмы и приводит к ускоренной высокочастотной диффузии ионов. Усреднение электрического поля в фазе пространственного заряда дает конвективный член в уравнении непрерывности ионов со скоростью, зависящей от координаты.

2. На основании полученных уравнений проанализированы процессы в приэлектродных слоях несамостоятельного и самостоятельных а- и у-разрядов среднего и высокого давления. Для разных частных случаев получены пррстые аналитические выражения, позволяющие оценить параметры слоя я критерии их применимости. Результаты удовлетворительно совпадают с точным численным решением усредненной системы уравнений, а оно, в свою очередь, совпадает с результатами численного моделирования, использующего полную систему уравнений. Усредненная система уравнений позволяет проводить численно* моделирование высокочастотных разрядов с той же точностью, что и полная система уравнений, но с минимальными затратами машинного времени (порядка нескольких минут на РС).

3. Проанализирован переход из а- в у-разряд. Показано, что различие между этими режимами определяется механизмом ионизации в слое. В а-разряде ионизация происходит в плазменной фазе электронами плазмы. В у-разряде ионизация происходит в фазе пространственного заряда электронами, эмитированными из электрода. Из-за экспоненциальной зависимости частоты ионизации от электрического поля концентрация в слоях ос-разряда близка к концентрации в плазме и линейно возрастает с плотностью тока, толщина слоя от плотности тока практически не зависит. В у-разряде концентрация ионов, в слое может быть значительно больше, чем в плазме. Получен критерий перехода из ос- в у-режнм разряда н оценочные формулы для величины нормальной плотности тока в у-разряде. Результаты по порядку величины совпадают с наблюдаемыми экспериментально.

4. Проанализированы процессы в плазме и приэлектродных слоях высокочастотного разряда низкого давления, когда длина энергетической релаксации электронов превышает размеры слоя. Получены простые оценки ■ для параметров плазмы и слоя, основанные на усреднении по периоду электрического поля и области движения электронов. Показано, что в отличие от разряда высокого давления в разряде низкого давления в слоях происходит только нагрев электронов, а ионизация несущественна. При этом концентрация ионов в слое пропорциональна плотности разрядного тока, а электрическое поле в слое в плазменной фазе не зависит от плотности тока. Концентрация в плазме зависит от режима движения ионов в слое и может возрастать как _)о2 или _)оМ.

5. Разработан СВЧ интерферометр для исследования газоразрядной плазмы высокочастотного разряда в быстропроточных газовых лазерах и

плазменных технологических установках. Проведены измерения неравновесной концентрации плазмы в сверхзвуковом потоке. Зафиксирован переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному.

6. Разработан метод СВЧ измерений концентрации электронов в разряде в трубках малого диаметра с помощью открытого цилиндрического резонатора. Проведены измерения концентрации электронов1 в разряде в инертном газе и. смесях, используемых в СОг лазерах. Экспериментально показано, что в лазерных смесях, содержащих электроотрицательные газы, ионная проводимость может достигать 10%. Показано, что в разряде в электроотрицательных газах профиль концентрации плазмы существенно отличается от бесселевского, является более плоским.

7. Разработан метод измерения концентрация электронов с помощью открытого СВЧ резонатора типа Фабри-Перо, совместимый с диодными системами, используемыми г микроэлектрон ной плазменной технологии.

8. Проведено экспериментальное исследование и численное моделирование высокочастотного разряда в потоке газа. Показано, что в разряде в воздухе при малых плотностях тока (~3*4 мкА/см2) электронная концентрация на два порядка меньше ионной, а ионная проводимость составляет до 50% от полной. С ростом тока доля ионной проводимости уменьшается, а электронная концентрация приближается к ионной и при }~7 мкА/см2 они сравниваются. В лазерных смесях ионная проводимость несущественна во всем исследованном диапазоне условий. Измеренные значення электрического поля в высокочастотном разряде больше, чем в разряде постоянного тока в сходных условиях, но меньше, чем следует из равенства коэффициентов ионизации и прилипания. Из сравнения результатов измерения с численным моделированием следует, что в отличие от разряда

постоянного тока в потоке газа в высокочастотном разряде выполняется локальный баланс числа частиц, в котором существенную роль играет отлипание.

9. Экспериментально продемонстрирована повышенная устойчивость высокочастотного разряда с электретами, покрытыми диэлектриком, по-сравнению с разрядом постоянного тока. Получен однородный разряд при вкладе мощности до 15 Вт/см3 и давлении до 200 Тор. Экспериментально показано, что контракция в высокочастотном разряде возникает в объеме плазмы, а не у электродов, как в разряде постоянного тока.

10. С помощью топографической интерферометрии исследовано распределение нагрева газа по сечению высокочастотного разряда в воздухе и лазерной смеси. Обнаружен значительный перегрев газа в приэлектродных областях, связанный с дополнительным прямым нагревом за счет протекания ионных токов и уменьшением конвективного теплоотвода в пограничном слое. Показано, что нагрев газа в ядре потока хорошо описывается в рамках кинетической модели разряда с коэффициентами, усредненными по периоду электрического поля. •

11. С помощью измерений пространственного и временного распределения интенсивности свечения в приэлектродных слоях продемонстрировано, что различие между а- и у-режимом разряда определяется механизмом ионизации в слое. Показано, что развитые в главе 1 представления о физических процессах в слоях адекватно описывают реальность.

12. Проведены измерения коэффициента усиления лазерного излучения на длине волны 10.6 мкм, которые показали, что высокочастотный разряд шнволяет получать инверсную населенность в потоке газа при давлениях до 130 Тор. Значения коэффициента усиления совпадают с расчетными по

кинетической модели с усредненными по периоду значениями коэффициентов. Продемонстрирована перспективность использования высокочастотного разряда для накачки быстропроточных СО2 лазеров.

13. Проведены исследования высокочастотной накачки волноводных СО2 лазеров. Показано, что из-за больших потерь мощности в приэлектродных слоях на частотах до 10 МГц может использоваться только продольная накачка. Поперечная накачка становится эффективной при частотах больше 80 МГц. Разработаны конструкции лазерных трубок, системы согласования п малогабаритные транзисторные источники мощности для накачки волноводных лазеров в различных частотных диапазонах.

14. Проведены измерения приэлектродных падений напряжений и выделяемой мощности в лазерных трубках при накачке на различных частотах. Показано, что характеристики слоев удовлетворительно описываются в рамках простых моделей, приведенных в главе 1. Показано, что с точки зрения накачки лазера безразлично, какой режим разряда (а- ■ или у-) осуществляется в конкретных условиях, важна лишь. величина плотности тока, а также частота и давление, которые определяют потери в слоях.

15. Исследовав опто-гальванический эффект в СОг лазере с высокочастотной накачкой. Показано, что наиболее чувствительной характеристикой является фаза коэффициента отражения.

16. Проведены измерения электронной концентрации в высокочастотном разряде низкого давления в аргоне и электрооотрицательных газах. Показано, что в разряде низкого давления концентрация в приэлектродных слоях возрастает пропорционально плотности разрядного тока, в то время как концентрация в положительном столбе возрастает значительно быстрее. Дано теоретическое объяснение этому факту.

17. Показано, что малая (до 10%) добалка электроотрицательного газа (хлора) приводит к резкому (на порядок) падению концентрации электронов в положительном столбе из-за прилипания и образования отрицательных ионов, в то время как концентрация в приалектродных слоях и, соответственно, электрические характеристики разряда меняются незначительно.

18. Проведены измерения энергетических спектров заряженных частиц, бомбардирующих электрод в высокочастотном разряде. Показано, что энергетический спектр ионов определяется ускорением в среднем поле у электрода. Спектр электронов состоит из плазменных тепловых электронов и у-электронов, ускорившихся в сдое у противоположного электрода. Энергия у-электронов близка к удвоенному значению амплитуды приложенного к электродам напряжения.

19. Проведены измерения эффективного коэффициента вторичной ион-электронной эмиссии в условиях высокочастотного разряда. Показано, что величина у достигает 0.53, прячем основной вклад в эмиссию дают не ионы, а нейтральные частицы (фотоны, возбужденные атомы). Проведены измерения вторичной электронной эмиссии с электродов в условиях разряда. Показано, что коэффициент вторично-электронной эмиссии для быстрых электронов превышает единицу. Это свидетельствует о возможности поддержания разряда на высоких частотах за счет вторично-эмиссионного размножения электронов. -

20. Проведено исследование параметров плазмы и режимов травления ваАз в смесях аргона с хлором. Показано существенное различие режимов с высоким и низким содержанием хлора, реализованным различными способами. Уменьшение содержания хлора позволяет значительно снизить

поступление примесей в плазму, . обеспечить высокое качество и анизотропию получаемых структур при достаточно высокой скорости травления (-0.1 мкм/мин) и значительном уменьшении мощности разряда и напряжения автосмещения.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. А.С.Смирнов. Приэлектродные слои в емкостном ВЧ разряде. ЖТФ,

1984, т. 54, #1, с. 61-65.

2. И.А.Алексеев, Г.А.Баранов, Ю.Б.Бутаев, В.Р.Волков, А.П.Жилинский,

А.К.Зинченко, Б.Г.Карасев, Б.В.Кутеев, Б.Ю.Неженцев, Н.В.Макаров, А.С.Смирнов, К.С.Фролов, Ю.И.Шевченко. Исследование высокочастотного разряда в потоке газа. V Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы, Ленинград 1983, Тезисы докладов, т, 2, СЛ41-143.

3. Г.Г.Антонов, О.А.Победоносцев, А.С.Смирнов, К.С.Фролов. Исследование

плазмы в сверхзвуковом потоке газодинамическо-го стенда. В сб.: Генераторы плазмы и мето-ды их диагностики, Л., ВНИИ Электромашиностроения, 1984, с. 3-14, 4.1.A.Alexeev, G.A.Baranov, Yu.I.Shevchenko, A.S.Smimov, K.S.Frolo\, A.K.Zinchenko. Radio-frequency discharge with the transverse gas flow. XVH International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Budapest 1985, P646-648.

5. А.В.Калмыков, В.Г.Моисеев, А.С.Смирнов, С.В.Томашевич.

Волноводный СОг-лазер с ВЧ-накачкой. V Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", Ленинград 1986, Тезисы докладов, с. 60.

6. А.В.Калмыков, В.Г.Моисеев, М.А.Сиверс, А.С.Смирнов, С.В.Томашевич. Транзисторный источник мощности для ВЧ-накачки газовых лазеров.

V Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", Ленинград 1986, Тезисы докладов, с. 61.

7. А.В.Калмыков, В.Г.Моисеев, А.С.Смирнов, С.В.Томашевич. Волноводный СОг-лазер с накачкой ВЧ-разрядом на частоте 1.76 МГц. Электронная техника. Серия 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. Материалы II отраслевой научно-технической, конференции, октябрь 1986, вып. 2 (236), с.10-11.

8. А.В.Калмыков, В.Г.Моисеев, А.С.Смирнов, С.В.Тихомиров, С.В.Томашевич. Высокоэффектив-ный транзисторный источник ВЧ-мощности для технологических лазерных установок. Судостроительная промышленность. Серия Сварка, 1987, вып. 3, с. 28-33.

9. А.С.Смирнов, К.С.Фролов, Ю.И.Шевченко. Высокочастотный разряд в

. потоке молекулярных газов при средних давлениях. ЖТФ, 1987, т.57, #7, с. 1310-1316.

10. А.В.Калмыков, В.Г.Моисеев, А.С.Смирнов, С.В.Томашевич. Высокоэффективный транзисторный источник ВЧ-мощности для ■■ накачки газовых лазеров. Передовой опыт, 1987, N7, с. 13-16.

11. А.С.Смирнов, К.С.Фролов. Исследование тлеющего разрада в электроотрицательных газах с помощью открытого СВЧ-резонатора. ЖТФ, 1988, т. 58, #10, с. 1878-1884.

12. Б.Ю.Неженцев, А.С.Смирнов, К.С.Фролов, Ю.И.Шевченко. Контракция ВЧ-разряда в потоке газа. Генераторы низкотемпературной плазмы. Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции, Новосибирск 1989, т. I, с. 232-233.

13. И.А.Алексеев, Г.А.Баранов, А.К.Зинченко, А.С.Смирнов, Ю.И.Шевченко. Исследование нагрева в емкостном высокочастотном разряде с поперечным потоком газа. ЖТФ, 1989, т. 59, #7, с. 18-26.

14. А.В.Калмыков, Б.Ю.Неженцев, А.С.Смирнов, К.С.Фролов, Ю.И.Шевченко, Л.Д.Цевдин. Исследование свечения приэлектродных слоев в потоке газа. ЖТФ, 1989, т. 59, #9, с. 93-97.

15. Г.А.Баранов,. Ю.В.Ефремов, А.С.Смирнов, К.С.Фролов, Ю.И.Шевченко. Эффективность колебательного возбуждения молекул СОг при накачке ВЧ-емкостным разрядом. Квантовая электроника, 1989, т. 16, #12,

&261-265.

16. А.В.Калмыков, А.С.Смирнов. Исследование электрических характеристик приэлектродных слоев емкостного ВЧ-разряда с внешними электродами. ЖТФ, 1989, т.59, #4, с. 38-44.

17. А.В.Калмыков, А.С.Смирнов. О согласовании емкостного ВЧ-разряда с источ-ником ВЧ-мощ-ности. Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тарту 1989, тезисы докладов, с. 183-185.

18. А.В.Калмыков, А.С.Смирнов. Оптогальванический эффект в ВЧ-разряде, возбуждающем СОг-ла-зер. Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, N10, с. 56-60.

19. А.С.Смирнов, ЛД.Цендин. Приэлектродные слои в несамостоятельном ВЧ-разряде. ЖТФ, 1990, т. 60, #7, с. 56-61.

20. С,А.Вицинский, В.К.Исаков,Л.В.Калмыков, Г.Н.Климанов, О.М.Нилов, Ю.А.Рубинов, А.С.Смирнов, А.Ю.Уставщиков. Двухканальные волноводные COz-лазеры с'фазовой синхронизацией излучения. VI Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", Ленинград 1990, Тезисы докладов, с. 185.

21. A.S.Smirnov, L.D.Tsendin. The space-time-averaging pro-cedure and modelling of the RF dis-charge. IEEE Transactions on Plasma Science, 1991, v. 19, #2, p. 130-140.

22. А.С.Смирнов, ЛД.Цендин. Приэлектродные слои в самостоятельном ВЧ-разряде среднего и высокого давления. ЖТФ, 1991, т. 61, #3, с. 64-75.

23. А.В.Калмыков, А.С.Смирнов, А.Ю.Уставщиков. Исследование комплексного сопротивления емкостного ВЧ-разряда с внешними электродами. ЖТФ, 1991, т. 61, #3, с. 53-58,

24. A.E.Dulkin, S.A.Moshkalev, V.Z.Pyataev, A.S.Smirnov, K.S.Frolov. III-V compaund semiconductor reactive ion etching in chlorine and methane containing mixtures. Microcircuit Engeneering 91. ELSEVIER 1992, p. 345348.

25. А.С.Смирнов, Л.Д.Цендин. Современное состояние физики ВЧ-разряда низкого давления. Его основные технические применения. Инженерно-физический журнал, 1992, т. 62, #5, с. 717-719.

26. А.В.Калмыков, Д.И.Малиновский, А.С.Смирнов, П.Е.Смирнов.

I

В.А.Илларионов. Источник высокочастотной накачки волноводного газового лазера. Приборы и техника эксперимента, 1992, N1, с. 152-157.

27. А.Е.Дулькин, С.А.Мошкалев, В.З.Пятаев, Н.О.Соколова, А.С.Смирнов, К.С.Фролов. Исследование реактивного ионного травления GaAs de смеси С12/Аг. Известия РАН. Серия физическая, 1992, т. 56, N; 6, с. 4652.

28. Л.Е.Дулькнн.С.А.Мошкалев, А.С.Смнрнов,"К.С.Фролов. Исследование емкостного высокочастотного разряда низкого давления. ЖТФ, 1993,

т.()3, #7, с. 64-73.

29. A.E.Dulkii), V.Z.Pyataev, N.O.Sokolova, S.A.Moshkalev, A.S.Smirnov, K.S.Frolov. The study of GaAs reactive ion etching in Ct/'Ar. Vacuum, 1993, v. 44, #9, p. 913-917,

30. А.С.Смирнов, А.Ю.Уставщиков, К.С.Фролов. Определение концентрации электронов в емкостном высокочастотном разряде с помощью резонатора Фабри-Перо. Приборы и техника эксперимента, 1994, #3, с. 129-134.

31. А.С.Смирнов, К.С.Фролов, А.Ю.Уставщиков. Энергетическое распределение электронов и ионов, бомбардирующих электрод в высокочастот-ном разряде. Материалы конференции "Физика н техника плазмы", Минск 1994, т. 2, с. 120-123.

Отпечатана в типографии ПИЯФ

Чак. 510, Tim. 10U, >ч.-:пд. п. ¡ 5; 3/XI-'i995r. Бесплатно