Исследование ионно-пучковой плазмы, создаваемой широким потоком ионов низкой энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

%

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ой

На правах рукописи

Дудин Станислав Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ, СОЗДАВАЕМОЙ ШИРОКИМ ПОТОКОМ ИОНОВ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ

(01.04.08. - физика н химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ХАРЬКОВ - 1994

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Харьковской государственной университете.

НаучныА руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Фареник Владимир Иванович Официальные оапонеаты: доктор физико-математических наук

Падахка Валентин Глебович, проф. ХАИ;

доктор фнэихо-ыатематяческих наук Оояошенко Игорь Александрович, ш. д иректора ИФ HAH Украины.

Ведущая организация: Институт ядерных исследований HAH Украины, г.Киев.

Защита состоится » 4 » /ЗЗГг. в /£ часов на за-

седании специализированного Ученого совета Д 053.06.01. Харьковского государственного университета по адресу: 310108, пХарьков, ар. Курчатова, 31, ауд. 301.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Харьковского государственного университета.

Автореферат разослал

Pß , 1994 г<

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук, профессор H.A. Азаренков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному к теоретическому исследованию ионно-пучковой плазмы, возникающей в пространстве транспортировки широкого поеного пучка низкой энергии при условиях, характерных дня технологических систем нонно-лучевого травления.

Актуальность темы диссертации обусловлена все более широким использованием ионных пучков (ИП) в современных технологических процессах. В пространстве транспортировки ИП образуется ионно-пучковая плазма (ИНН) f1], которая, обеспечивая зарядовую компенсацию пучка, является еще и той активной средой, непосредственно из которой па обрабатываемую поверхность попадают заряженные, возбужденные, химически активные частицы и электромагнитное излучение. Таким образом, нейтрализация ИП является сцщнм из ключевых вопросов ионно-лучевой технологии.

Известно большое количество исследований нейтрализации фокусированных (L > d, где L - длина транспортировки ИП, d -его диаметр) ИП высокой энергии (£* > 10 кэВ) [SV]» ПРВ ^У" чешш которых основным вопросом является дефокусировка пучка под действием объемного заряда, а основным каналом образования нейтрализующих электронов — ионизация атомов остаточного газа,

9 _

заполняющего пространство транототировки ИП.

В то же время, в технологии микроэлектроники широко применяются процессы ионно-лучевого и ионно-химического травле-

1Гвбовнч МД. // УФН, 1977, Т.121, N 2, с.259-284.

'Габович МД. // УФЖ. - 1979. - Т.24, N2. - с. 257 - 273.

'Holmes A J.Т. // Phye. Rev. А., 1979, V.19, N 1, р. 389-407.

ни, причем в КПСС процессах гаюхьзуются ИП низких анергий

< 1 квВ). При такой анергия менее аффективными сгано-вхгсх процессы нотпадии остаточного газа в нагрева иекгронов непосредственно пучком новое, которые рассиазркваютсж в работах (V,8] в качестве основных. В технологических системах часто используют пучки большого сечения (до 500 см3), которые распространяются на нрЛолыттие расстояния 20 см). Такие пучки (L ~ ¿) получили название широких в отличие от фокусированных пучков, о которых речь шла выше. Для широкого пучка фокусировка к влияние на нее объемного заряда не имеет существенного значена«, а на первый план выступают величина потенциала плазмы, определяющая поверхностный потенциал да электрических плевок к возможность их пробоя; температура и энергетический спектр электронов, ответственные за образование химически активных частиц; величины потоков частяц на обрабатываемую поверхность.

Исследования нейтрализации широких пучков ионов низких энергий на протяжении ряда лет проводились в Харьковском государственном университете и в Научном физико-технологическом центре HAH и Министерства образования Украины. Наиболее полно результаты этих исследований отражены в [V ,в]. Полученные результаты позволили понять закономерности основных процессов,

'Марущенко Н.Б. Транспортировка и зарядовая нейтрализация южных пучков средних и низких энергий // Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. - Харьков, 1989. 1Ъсуниверситет, физико-технический факультет. 123 с.

1 Зыков A.B., Марущенко Н.Б., Фареник В .И. // В сб. "Проблемы ядерной физики и космических лучей". 1989, Вып. 31, с. 55-58.

'Зыков АЛ., Марущенко Н.Б., Фареннк ВЛ. // Письма в ЖТФ, 1989, Т.15, выш9, с9-13.

приводящих к нейтрализации ИП, ■ построить феноменологическую модель автокомпенсации. Однако, измерений функции распределения нейтрализующих электронов проведено не было. Теоретическая модель, построенная в (*,*], не имея достаточных экспериментальных оснований, позволила лишь качественно рассчитать параметры ИПП. В модели не был учтен ряд важных элементарных процессов, в частности, процессов с участием нейтрального газа. Т&кже 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 [*] 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 ионно-пучковой плазмы, возникающей в пространстве транспортировки широкого интенсивного ИП низкой энергии при условиях, характерных для технологической системы иошю-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 ИПП;

• основываясь в» результат»! решети предыдущих задач развить теоретическую модель процесса нейтрализации ИП.

Методы и средства исследований. Экспериментальные исследования проводились на установке, оснащенной многоканальным источником ионов холловского типа "Радакал-М" ори помощи различных эоидовнх методик, адаптированных автором для условий ионно-пучковой плазмы. Теоретическая модель, построенная в наг стоящей работе, основана на совместном решении уравнений баланса анергии к 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 иоино-пучковой плазмы, возникающей в пространстве транспортировки широкого ионного пучка низкой энергии, могут быть использованы как для дальнейшего развитая физических моделей, описывающих газоразрядную плазму при низких давлениях газа, так и ори «щмппг и оптимизации технологического оборудования.

Научная новизна работы определяется следующими результатами, выносимыми на защиту:

1. Проведено методическое обоснование использования зондо-вых методик в ионно-пучковой плазме. Получены выражения для тока ионов на зонд в присутствии ионного пучка.

2. Впервые измерена функция распределения электронов по анергии в ИПП, создаваемой низкознергетичным пучком. Установлен ее трехкомнонентный состав. Экспериментально обнаружена группа "косых" электронов.

3. Обнаружено принципиальное различие вида ФРЭЭ при наличии и в отсутствие термокатода. Установлено, что как при автоком-

пеясацкх, так и при компенсации посредством КН, нейтрализация ИП обеспечивается ннзкоэнергетичными плазменными электронами, запертыми в потенциальной яме.

4. Установлено, что формирование параметров Ш1П определяете« взаимодействием запертых мектронов с 7-электронами, иона-ш пучка и нейтральным газом, а также видом источников и стоков электронов. Доказано, что при теоретическом описании реальных технологических систем необходим учет нарушений эквипотеяци-альиосгн поверхностей, ограничивающих ИПП.

5. Развита теоретическая модель нейтрализации широкого ионного пучка низкой энергии, позволяющая находить основные параметры ИПП... Получены аналитические выражения для функции распределения электронов по энергии и температуры ее максвел-ловсхого ядра. Проведено численное решение самосогласованной задачи определения потенциала ИПП, результаты которого согласуются с экспериментальными данными.

Апробация и публикация результатов работы. Основные 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 и тех* нологии тонких пленок (Ивано-Франковск, 1993), V Международной конференции по источникам ионов (1С1Б, 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 (ГСОРБ, Сайта Фе, США, 1994).

7

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД ДИССЕРТАНТА В РАЗРАБОТКУ ЙАУЧНЫХ

результатов, выносимых НА защиту. Разработка в практическая реализация экспериментальных методик, весь кошиекс измерений, а также ащисихячесяие 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 Фаре ник осуществлял общее научное руководство работой; A.B. Зыков принимал участие в постановке задач исследований, обсуждении и интерпретации результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоят из 110 страниц основного текста, 35 рисунков, списка литературы из 96 наименований. Основной текст диссертации состоит из введения, двух глав и заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко освещено современное состояние проблемы, определен круг задач, рассмотренных в диссертации, сформулированы основные результаты, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы по главам.

В первой главк описана экспериментальная установка, приведены характерные величины основных параметров системы. Проанализированы особенности зондовых измерений в ИПП. Описаны экспериментальные методики измерения параметров ИПП при использовании оддаочного цилиндрического зонда, плоского зонда с охранным кольцом и многосеточного зонда. Представлено описание измерительного комплекса, позволяющего измерять функцию распределения электронов, мектроиную температуру и потенциал плазмы. Обсуждаются результаты измерения параметров ИПП

8

в замкнутом пространстве транспортировки с эквипотенциальными границами (закрытая система) и в открытой системе при наличии интенсивных источников (термокатод) и стоков (диэлектрики, источник ионов) нейтрализующих электронов.

Во второй главе описана теоретическая модель конно-пучко-вой плазмы, имеющая своей целью нахождение самосогласованных величин температуры нейтрализующих электронов и плазменного потенциала, а также функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ), в зависимости от внешних параметров. Проведен анализ основных элементарных процессов и их роли в формировании параметров ИПП. Обсуждается баланс электронов в системе, анализируются основные каналы рождения и гибели заряженных частиц, рассчитан потенциал плазмы, показана его самосогласованная природа и необходимость совместного рассмотрения в общем случае баланса частиц, баланса энергии и ФРЭЭ. Продемонстрирована невозможность объяснения экспериментальных результатов при помощи рассмотрения стока электронов только через "хвост" ФРЭЭ и необходимость учета диэлектрических поверхностей, неизбежно присутствующих в реальной системе. Проанализирован баланс энергии в ИПП, на основании чего рассчитана температура нейтрализующих электронов. На основании решения уравнения Фоюсера-Планка рассчитана функция распределения запертых электронов. Получены аналитические асимптотики для некоторых частных случаев. Представлены результаты численных расчетов функции распределения при различных условиях. Проведено сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными.

В заключение сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

I. Проведено методическое обоснование использования эондовых методик в коено-пучкоэой плазме.

а) На основании детального изучения особенностей эондовых измерений в ШШ разработан и оптимизирован ряд конструкций зондов, измерительных методик, а также измерительный комплекс для обработка эондовых ВАХ, что позволило провести достоверные измерения основных параметров ШШ, необходимых для обоснования и проверки теоретической модели.

б) Найдена зависимость тока "холодных" плазменных ионов на зонд в присутствии ионного пучка. Установлено принципиальное омичие величины и формы ионной ветви ВАХ одиночного цилиндрического зонда от классического случаи плазмы, содержащей только "холодные" ионы.

II. Проведены измерения зависимостей температуры нейтрализующих электронов и потенциала ИПП от параметров системы в различных режимах нейтрализации при использовании атомарных и молекулярных рабочих газов.

а) Установлено, что распределение потенциала в пространстве транспортировки ИП представляет собой потенциальную яму для электронов с плоским дном, радиальные электрические поля отсутствуют, что принципиально отличает исследуемый случай от случая фокусированного ИП высокой энергии.

б) Обнаружен факт аномально низкой величины Тв, что означает невозможность объяснения гибели запертых электронов их уходом через высокоэнергетичный хвост ФРЭЭ.

в) Обнаружено принципиальное различие между открытой и закрытой системами. Установлено, что в закрытой системе характер-

ные величины Т, и уу значительно ниже, чем в открытой. Использование молекулярных рабочих газов в закрытой системе приводит к значительному снижению (су, тогда как в открытой системе не наблюдается заметной разницы между атомарными и молекулярными газами. Т„ и монотонно падают с ростом давления газа, заполняющего пространство транспортировки ИП, и растут при увеличении тока пучка, причем уу, достигнув равновесного значения, выходит на насыщение.

г) Изучено влияние термоэлектронной эмиссии на нейтрализацию широкого ИП низкой энергии. Получил экспериментальное обоснование вывод об оптимальном режиме нейтрализации при небольшом положительном смещении КН. Обнаружено резкое ухудшение нейтрализации при отрицательном смещении КН с большими токами эмиссии.

III. С использованием комплекса методик измерен явный вид функции распределения электронов ИПП по энергиям.

а) Установлен трехкомпонентиый состав ФРЭЭ. Измерена угловая зависимость ФРЭЭ, на основании чего подтверждена гипотеза о существовании "косых" алекгронов.

б) Обнаружено принципиальное различие вида ФРЭЭ при наличии и в отсутствие термокатода. Установлено, что как при автокомпенсации, так и при компенсации посредством КН, нейтрализация ИП обеспечивается низкоэнергетичными плазменными электронами, запертыми в потенциальной яме.

IV. В приближении "бесстолкновительной" плазмы с использованием предположения о нелокальности параметров ИПП построена теоретическая модель нейтрализации широкого ионного пучка низкой энергии, удовлетворительно согласующаяся с данными эксперимента и позволяющая находить основные параметры ИПП.

а) На основе детального сравнительного анализа различных элементарных процессов выявлена их роль в балансе часта, балансе энергии и формировании ФРЭЭ.

1. Установлено, что при рассмотрении баланса электронов необходимо учитывать их рождение в процессах неупругих столкновений; 7-алектронов с атомами, принимая во внимание образование "косых" электронов при упругих соударениях, а также ионизацию атомов ионами пучка. Основным каналом гибели запертых электронов в реальной системе в зависимости от условий может быть их уход на поверхность диэлектрика, либо уход на стенки камеры в результате диффузии по оси энергии.

2. Определяющую роль в балансе энергии играют: нагрев электронного газа пучками ионов и 7-алектронов (при наличии диэлектрика в ионном пучке сток на него становится основным каналом вноса энергии); вынос энергии при столкновениях электронов с нейтральными атомами и молекулами, а также вынос с медленными ионами, образующимися при ионизации.

3. Формирование немаксвелловского хвоста функции распределения электронов в основном определяется взаимодействием запертых электронов с «у-ахектронами и нейтральным газом, а также источниками и стоками электронов на энергетической оси.

б) Основываясь на результатах анализа роли различных элементарных процессов, с использованием уравнений баланса электронов и энергии и кинетического уравнения рассчитаны Тв, щ и ФРЭЭ ддя различных комбинаций внешних условий.

1) По сравнению с [4] учет столкновений запертых электронов с нейтральный газом позволил подучить более реалистичные значения Те и согласующийся с экспериментом характер зависимости Т,

от давления. Учет стока электронов на диэлектрик позволил согласовать иежду собой аномально низкие значения Т. и относительно высокие — щ.

2) Установлено, что в случае, когда уходом электронов через хвост ФРЭЭ можно пренебречь > 1 при наличии диэлектриков), задача перестает быть самосогласованной, и лдя расчета <Рр1 не требуется знание Г, и ФРЭЭ.

3) В результате численного решения уравнения баланса энергии рассчитаны зависимости температуры максвелловского ядра ФРЭЭ от параметров системы (дая некоторых случаев получены аналитические решения). Получили теоретическое объяснение различия в поведении 7, в открытой и закрытой системах, а также в присутствие термокатода.

4) На основании решения уравнения Фоккера-Планка рассчитана функция распределения электронов по энергии для различных случаев. Выявлено влияние различных факторов (диэлектрики, молекулярные примеси) на ФРЭЭ. Теоретически обоснованы экспериментальные факты изотропности ФРЭЭ запертых электронов и наличия в ней низкоэнергетичного максвелловского ядра и немаксвелл овского хвоста. Получены аналитические асимптотики ФРЭЭ для некоторых частных случаев, а также численное решение общем случае.

5) Проведено численное решение самосогласованной задачи определения потенциала ИПП, результаты которого согласуются с экспериментом.

Хорошее совпадение теоретических результатов с экспериментальными данными позволяет вделать вывод об адекватном описании моделью реальных процессов в ИПП и возможности ее практического применения при оптимизации процессов ионно-лучевого и

ионно-хкмнческого травления, иошю-лучеаого напыления, а также методов оперативного контроля технологических процессов. Полученные результаты также могут быть полезны для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований бесстолкновитель-ной газоразрядной плазмы.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

[1*] Дудан С.Б., Зыков A.B., Фареник В.И. Функция распределения электронов в ограниченном пространстве транспортировки автокомпенсировааного ионного пучка низкой энергии. // Письма в ЖТФ, 1991, Т.17, вып. 6, с32-26.

[2*] S.V.Dudin, A.V.Zykov, VJ.Farenik. Low Energy latease loa Beams Space Charge Neutralization. // Rev. Sei. Instrum., 1994, V.65, N4, Part II, p. 1451 - 1463.

[3*] Дудин C.B. Нахождение энергетического спектра электронов при зондовых измерениях в плазме. // Приборы и техника эксперимента. 1994. N4. с. 78 - 82.

[4*] Дудан C.B., Зыков A.B. Влияние термоэлектронной эмиссии на компенсацию объемного заряда широкого пучка ионов низкой энергии. // Письма в ЖТФ. 1994. Т.20, Вып. 11. с. 58 - 63.

[5*] Дудан C.B., Зыков A.B., Фареник В.И. Экспериментальное исследование ионно-пучковой плазмы. // Препринт ПФТЦ. 1993. Харьков. 26с.

[б*] Дудан C.B., Зыков A.B., Фареник В.И. Особенности зондовых измерений в ионно-пучковой плазме. // В сб. Тез. докл. II

мездаграслевого научцо-технач. сешшара "Фязнчеагее осповы н новые направления плазменной технологии в инкртлсхро-нике". Харьков. 1991. с. 32 - 33.

[7*] Дудан С.В., Зыков А.В., Фарсаик В.И. Особенности зарядовой и токовой нейтрализации ионных пучков низких ввергай. // Там же, с. 34 - 35.

[8*1 S.V. Dudin, A.V. Zykov, VJ. Rurenik. Ihmsport and Neutralization of Low Energy Ion Beams in Technological Systems. // Proceedings of International Conference "Physics in Ukraine". Kiev. 1993. p. 86.

[9*] S.V. Dudin. Probe Measurements in Ion-Beam Plasma. // 21st IEEE International Conference on Plasma Science. Conference Record-Abstracts. 1994. Santa ife, USA. p. 179 - 180.

[10*] S.V. Dudin, A.V. Zykov, VJ. Earenik. Neutralization of Low Energy Broad Ion Beam. // 21st IEEE International Conference on Plasma Science. Conference Record-Abstracts. 1994. Santa Fe, USA. p. 156.

[И*] Дудян С.В. Исследование ионно-пучковой плазмы в системе ионно-лучевого напыления. // В об. Marep.IV международной конференции по физике а технологии топких плевок. Ивано-Франковск. 1993. с. 170.

Dvdin S.V. Investigation of ion-beau plasma created by low-enrjQY broad ion beau. Dissertation (manuscript) on degree of Candidate of physical and mathematical science*, speciality 01.04.08. - physics and chemistry of plasmas, Kharkov State University, Kharkov, 1994.

Eleven scientific papers are presented which contain the results of experimental and theoretical investigations of the ion-beam plasma, created in transport space of low-energy broad ion beam under typical for technology system of ion-beam etching conditions. Election energy distribution function has been experimentally measured. It has been discovered that EEDF consists of three components. Theoretical model of ion beam neutralization has been developed. Energy spectrum of electrons and plasma potential are calculated.

Дудш C.B. Доел 1дженh5 юнно-пучково1 плазми, що СТВОРЮвТЬСЯ широким пучком юнт низько! енергй. Дисертацм (руколис) на адобуття вченого ступени кандидата фЬико-матекатмчних наук за специальною 01.04.08. - фгзика та замы плазми, Харнкький держааниЯ ушаереггст, Харюв, 1994.

До захисху представхявться 11 наукових праць, яга шехяхь результата експернментальннх та теоретичних дослщжень юнно-пуч-koboi плазми, яка виншеав в простор! транспортування широкого пучку юшв низько! енергп за умов, характерних для технологично! системи ¡онно-промшевого травленни. Экспериментально вшарена функщя розаодиу електрошв за енерпею, з'ясовано Л тршеомпон-евзвий склад. Побуцовано теоретичну модель процесу нейтрал!за-цп ioHHoro пучку. Розраховано енергетнчннй спектр електрошв та потевшая донно-пучково! плазми.

Ключов! слова: 1онно-пучкова хиазма, електричш зоцди, ен-ергетичний спектр електрошв.

Пода. к тч. 30.11.94. Формах SO х &41/» Бумаг» тяп. П«ш офоетям.

Усл. ве% л. 1,0 Уч. гол. «. 1,0 ТЬряж 100 мсз. Заш Х'152

Отпечатано фирмой "Аям и К*". Харьков, ул. Плехаиоаская 4а