Исследование высокочастотного емкостного разряда низкого давления в инертном газе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

/Ч* 7 > I * ^

/АЛ ' ~ I ^ _ К

- ■ / — ^ о

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ИНЕРТНОМ ГАЗЕ

01-04-08 - физика и химия плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор А.С.Смирнов

Санкт-Петербург, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

2. ФОРМИРОВАНИЕ СЛОЕВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЕМКОСТНЫХ РАЗРЯДАХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).....................................................9

2.1. Классификация высокочастотных разрядов...........................................9

2.2. Перенос гоков и причины возникновения слоев пространственного заряда в ВЧЕ разрядах......................................................................11

2.3. Эквивалентная схема разряда............................................................14

2.4. Динамика приэлектродного слоя пространственного заряда..........19

2.5. Особенности формирования ВЧ разряда при нелокальном нагреве электронов.........................................................................................22

2.6. Исследования гамма-электронов в ВЧ разрядах низкого давления 27

2.7. Выводы из обзора литературы и постановка задачи........................ 30

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРОВ ВТОРИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ..........................................33

3.1. Разрядная камера и система поддержания ВЧЕ разряда..................33

3.2. Модулятор и анализатор энергии электронов..................................35

3.3. Синхронизация сигналов при измерениях с временным разрешением.......................................................................................43

3.4. Времяпролетные характеристики модулятора электронов..............50

3.5. Связь функции пропускания модулятора и экспериментального спектра...............................................................................................60

4. КИНЕТИКА ГАММА-ЭЛЕКТРОНОВ В ВЧЕ РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ...............................................................................................................64

4.1. Измерения с временным разрешением спектров электронов, бомбардирующих электрод в ВЧЕ разряде......................................64

4.2. Ускорение гамма-электронов в слое пространственного заряда.....69

4.3. Восстановление формы напряжения на слое пространственного заряда................................................................................................. 74

4.4. Фокусировка электронов при пролете разрядного промежутка......80

4.5. Формирование пиков на функции распределения гамма-электронов ..........................................................................................81

4.6. Выводы...............................................................................................88

5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СЛОЕВ И ПЛАЗМЫ ВЧЕ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ..........................................................................90

5.1. Основные предположения модели.....................................................90

5.2. Поток ионов из плазмы разряда........................................................94

5.3. Электроны в плазме и ионизация в разряде низкого давления........ 95

5.4. Электронная кинетика.......................................................................97

5.5. Учет стохастического нагрева электронов........................................99

5.6. Асимптотические решения и скейлинги..........................................100

5.7. Результаты расчетов......................................................................... 103

5.8. Выводы............................................................................................. 112

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................114

7. ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................117

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию высокочастотных разрядов низкого давления (р-ТОМ Тор). Такие разряды нашли широкое применение в плазменных техно л оги ч еских установках для травления и нанесения пленок в микроэлектронике. В плазме разряда происходит диссоциация молекул исходного газа с образованием атомов или радикалов, активно взаимодействующих с поверхностью твердого тела. Взаимодействие радикалов с поверхностью подложки происходит в присутствии ионной и электронной бомбардировки, которая оказывает существенное влияние на характеристики процесса и свойства пленки. В частности, ионная бомбардировка приводит к тому, что травление в плазме высокочастотного разряда, в отличие от химического, является анизотропным и позволяет получать структуры глубина (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 как от свойств плазмы разряда так и от структуры приэлектродных слоев. В разрядах низкого давления длина энергетической релаксации электронов плазмы превышает характерные размеры разрядной камеры. В этих условиях нагрев плазменных электронов определяется распределением электрических полей по всей длине межэлектродного промежутка и на формирование функции распределения электронов по энергиям существенное влияние оказывает нагрев электронов в приэлектродных слоях. Гамма-электроны высоких энергий, образующиеся за счет эмиссии с электрода и ускоряющиеся в приэлектродных слоях, проходят через межэлектродный зазор практически без столкновений. Это приводит к интенсивной

бомбардировке электродов электронами высоких энергий, что может существенно влиять на процессы происходящие на поверхностях электродов. Таким образом, процессы происходящие на поверхностях электродов и в объеме плазмы существенно зависят от параметров и динамики приэлектродных слоев пространственного заряда. Следовательно, оптимизация существующих технологических процессов и разработка новых невозможна без глубокого понимания физических процессов формирования слоев и плазмы положительного столба в высокочастотном разряде низкого давления.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в плазме и приэлектродных слоях высокочастотного разряда. Исследования были направлены на решение следующих задач:

1. Экспериментальное исследование динамики гамма-электронов в ВЧЕ разряде низкого давления. Выяснение механизмов формирования потока гамма-электронов на заземленный электрод разряда. Разработка методов диагностики слоев высокочастотного разряда.

2. Разработка простых аналитических моделей, позволяющих качественно описать параметры высокочастотного разряда низкого давления, а также проводить расчет параметров разряда с минимальными затратами.

Практическая ценность проведенных исследований определяется прежде всего широким использованием высокочастотных разрядов низкого давления в микроэлектронной технологии. В результате проведенных исследований создана простая модель, позволяющая рассчитать параметры приэлектродных слоев и плазмы ВЧЕ разряда низкого давления. Получены простые скейлинги для различных режимов горения разряда, которые могут быть широко использованы для оценки параметров плазмы в технологических установках. Получена аналитическая оценка для

параметров перехода ВЧЕ разряда в сильноточный режим, характеризующийся большим количеством "холодных" электронов.

В результате работы была разработана методика измерений с временным разрешением энергетических спектров гамма-электронов, бомбардирующих электроды ВЧЕ разряда, позволяющая восстанавливать форму напряжения на приэлектродных слоях. Методика может быть использована в экспериментальных исследованиях высокочастотных разрядов. Показана также принципиальная возможность диагностики колебаний плазмы по энергетическим спектрам гамма-электронов.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Впервые проведены измерения с временным разрешением спектров гамма-электронов, бомбардирующих заземленный электрод в емкостном разряде низкого давления при частоте ВЧ напряжения 13.56 МГц.

2. Показано, что энергетический спектр гамма-электронов и распределение потока гамма-электронов в течение периода ВЧ тока определяются формой ВЧ напряжения на приэлектродном слое пространственного заряда. Впервые показана возможность восстановления формы ВЧ напряжения на слое по экспериментальным спектрам гамма-электронов.

3. Продемонстрировано влияние высокочастотных колебаний напряжения на спектры гамма-электронов.

4. Впервые разработана простая самосогласованная аналитическая модель ВЧЕ разряда низкого давления, позволяющая с достаточной точностью оценить основные параметры плазмы и приэлектродных слоев разряда.

5. Получен критерий перехода ВЧЕ разряда низкого давления к сильноточному режиму с "холодными" электронами и формулы для оценки параметров плазмьг в различных режимах разряда.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Экспериментальная методика измерения формы напряжения на слое пространственного заряда по разрешенным во времени энергетическим спектрам вторичных электронов.

2. Демонстрация различия формы напряжения на слое при столкновительном и бесстолкновительном движении ионов в слое.

3. Демонстрация связи между пиками на энергетических спектрах вторичных электронов и высокочастотными колебаниями напряжения на плазме разряда.

4. Скейлинги для оценки параметров высокочастотного емкостного разряда низкого давления в различных режимах.

5. Критерий перехода между двумя режимами горения ВЧЕ разряда низкого давления.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации докладывались на IV Международной конференции "Thermal Plasma Processes" (ТРР-4), Афины 1996; II Международной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" (ФППТ-2), Минск, 1997; XVIII Международном симпозиуме "Plasma Physics and Plasma Technology" (SPPT-18), Прага, 1997; Международном симпозиуме NATO "Electron Kinetics and Application of Glow Discharges", С.Петербург, 1997; а также на семинарах в ФТИ им.А.Ф.Иоффе, и кафедры "Физика плазмы" Санкт Петербургского Государственного Технического Университета.

Основные результаты работы опубликованы в семи печатных трудах

[1-7].

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены основные вопросы связанные с процессами формирования и структурой приэлектродных слоев и плазмы высокочастотного разряда низкого давления.

Во второй главе описана экспериментальная установка для исследования с временным разрешением спектров гамма-электронов, бомбардирующих заземленный электрод ВЧЕ разряда низкого давления. Рассмотрены основные вопросы методики измерений с временным разрешением в разряде высокой частоты [6, 7].

В третьей главе представлены экспериментальные данные о распределении потока гамма-электронов на заземленный электрод по фазам ВЧ напряжения, приложенного к разряду. Проведен анализ полученных результатов [3, 6, 7].

В четвертой главе анализируются процессы в приэлектродных слоях разряда низкого давления, когда длина энергетической релаксации электронов превышает размеры слоя и межэлектродного зазора. Разработана простая модель для оценки параметров емкостного высокочастотного разряда низкого давления [1, 2, 4, 5].

В заключении сформулированы основные результаты и выводы из работы.

2. ФОРМИРОВАНИЕ СЛОЕВ П РОСТ PA HCT В ЕН НО ГО ЗАРЯДА В

ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЕМКОСТНЫХ РАЗРЯДАХ НИЗКОГО

ДАВЛЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

2.1. Классификация высокочастотных разрядов

Высокочастотным разрядом, в принципе, можно назвать любой разряд в переменных электромагнитных полях. Однако, если электрическое поле меняется медленно, все параметры положительного столба и приэлектродных слоев успевают установится, и свойства разряда будут такими же, как у разряда в постоянном поле равном мгновенному значению переменного поля. Наиболее медленным процессом является ионный перенос. Под высокочастотным принято понимать разряд в котором плотность ионов в плазме и слоях не успевает существенно измениться за период изменения поля. Со стороны высоких частот ограничение связано с длиной волны. Если длина волны в плазме превышает характерные размеры системы, разряд считается высокочастотным (ВЧ). В противном случае разряд называют сверхвысокочастотным (СВЧ). Указанные условия как правило выполняются в диапазоне частот f = 1-100 МГц.

Элементарные схемы создания емкостного высокочастотного (ВЧЕ) разряда показаны на рис.2.1. Высокочастотное напряжение прикладывается между двумя плоскими параллельными электродами. Поскольку для протекания переменного тока электрическая цепь не обязательно должна быть замкнутой и может содержать непроводящие участки, электроды могут быть изолированы от разрядной плазмы диэлектриками, как показано на рис.2.1.б. При необходимости электроды могут быть вынесены за пределы разрядного объема, как показано на рис.2.1.в.

а)

б)

О

X

в)

рис.2 Л. Элементарные схемы создания емкостного разряда, а) металлические электроды, б) электроды покрыты диэлектриком, в) электроды вынесены за пределы разрядной камеры.

Выбор схемы разрядной камеры определяется конкретным практическим приложением ВЧЕ разряда. Емкостный способ, как правило, применяется для поддержания ВЧ разрядов при средних (р-1-100 Тор) и низких (р~10'3-1 Тор) давлениях. ВЧЕ разряды среднего давления широко используются для создания активной среды ССЬ-лазеров [8,9,10,11,12]. Разряды низкого давления применяются в технологиях ионной обработки поверхности [13], выращивания и травления полупроводниковых материалов [14], выращивания аморфных и поликристаллических структур [20].

2.2. Перенос токов и причины возникновения слоев пространственного заряда в ВЧЕ разрядах

Представления о слоях пространственного заряда в высокочастотном разряде были впервые сформулированы в работах [17, 18]. Согласно [17] электроны, находящиеся вблизи электродов (а именно, на расстояниях меньше амплитуды колебания электрона в ВЧ поле А = ЬсЕ/<о, Ье -подвижность электронов, Е - напряженность осцилляторного поля, © -частота ВЧ поля) захватываются электродом и безвозвратно покидают разрядный промежуток. Таким образом, вблизи электродов образуются слои пространственного заряда толщиной порядка А, где часть периода отсутствуют электроны как показано рис.2.2. В разрядном промежутке возникает избыток положительного заряда. Потенциал плазмы ир1

относительно электродов можно оценить с помощью уравнения Пуассона [18]:

ир1 = 4леп1А2, (2.1)

где А - амплитуда колебания электрона в данном ВЧ- поле (А имеет смысл толщины слоя), п, - концентрация ионов в разрядном промежутке (предполагается, что постоянна). Формула (2.1) дает правильную

а. «-Е

+ + —* + —> +

б. -► Е

+ + <— + +

в. Cüt 2ж 7Г plasma /

plasma plasma А

+ ...... L........ 1 + i X

рис.2.2. Схема движения электронов в межэлектродном промежутке.

качественную зависимость 11р1 от параметров разряда. Рассмотренный

подход позволил также качественно объяснить наличие интенсивного распыления электродов в высокочастотном разряде [18]. В реальном разряде из за ухода ионов на электроды, их концентрация в слоях должна быть существенно меньше, чем в центре разрядного промежутка. Также очевидно, что в стационарном разряде диффузия электронов и ионов может существенно повлиять на профиль концентрации и размер слоя, так что его толщина не будет равна А.

Механизм протекания тока в установившемся ВЧЕ разряде описан в работе [24]. Пусть через разрядный промежуток течет синусоидальный ток частотой ю и плотностью 3 = • 8т(®1). Для того, чтобы электронный гок в плазме превышал ток смещения необходимо выполнение условия:

,, • 1 ^Е/ со

'1=,,'Е5>1 = йа=йЕ' (2-2)

ИЛИ

со « 47г|сте| = -1--, (2.3)

хе

где

4л;пие2

ст,. =-, • ч (2.4)

те(у+ко)

электронная проводимость плазмы, Е - электрическое поле в плазме. Величина те называется (электронным) Максвелловским временем и характеризует скорость экранировки электрического поля в проводящей среде. При со» V условие (2.4) соответствует требованию, чтобы частота поля была меньше электронной плазменной частоты. Если для ионов выполняется условие, противоположное (2.3):

»»ЫрА-1. (2.5)

то можно пренебречь ионным током по сравнению с током смещения и, соответственно, смещением ионов за период электрического поля. В этом

случае разрядный ток замыкается током смещения в слое пространственного заряда. В предположении о постоянстве концентрации ионов ток смещения равен [24]:

(1Ь

где Ь - мгновенная толщина слоя пространственного заряда. 2.3. Эквивалентная схема разряда

Эквивалентная электрическая схема разрядного промежутка подробно рассмотрена в работах [23,24]. Полный импеданс разрядного промежутка состоит из импеданса плазмы Ър и импеданса слоев пространственного заряда Ъ*:

Для постоянной концентрации электронов в плазме пр и независящей от скорости частоты столкновений электронов, импеданс плазмы может быть записан в виде:

(2-8)

ПрС о

где Б - площадь электродов, Ьр - длина положительного столба пла�