Нагрев нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потоке молекулярных газов при средних давлениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И.Степанова

Р . I: 533. 93.915.: 621.794.4

16ЯНВ.1995

ФИЛАТОВА. Ирина, Ивановна

НАГРЕВ НЕЙТРАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ ПЛАЗМЫ ТЛШДЕГО РАЗРЯДА В ПОТОКЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ ПРИ СРЕДНИХ ДАВЛЕНИЯХ

01.04.08 - физика и химия плазмы

.АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 1994

Работа выполнена в Институте молекулярной и атомной физики АЛ Беларуси

Научные руководители: доктор фпзико- математических наук, профессор Ыиманович В.Д.

кандидат физико-математических наук Ажаронок В.В.

О&щиалыше оппоненты: доктор Зизнко- математических наук, профессор Орлов Л.Н.

доктор физико- математических наук,

ГГрОфЭССОр ФОМЩ! H.A.

Ведущая организация: Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Защита состоится г. а ~~ часов ка

заседании специализированного совета К 005.01.01 ло защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Институте физики им. Б.И.Степанова АНБ (22072, Минск, пр.Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики АКБ.

Автореферат разослан "

и

»аеть/Ш- 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ. - мат. наук

Б.Ф.Кунцевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение широкого круга задач в различных областях современной науки и техники связано с применением низкотемпературной неравновесной плазмы электрических разрядов в разреженных молекулярных газах.

Эффективность аккумулирования энергии электрического поля в выделенных степенях свободы частиц в газоразрядной плазме во многом зависит от потерь подводимой к разряду мощности на нагрев газа, Характеризующая температурой нейтральней компоненты Тц.

В связи с развитием техники мощных газовых лазеров, плазиохимии актуальной задачей является получение плазменных сред с высокой степенью колебательной неравновесности. Это может быть достигнуто путем повышения удельного энерговклада в разряд при существенном сникении температуры нейтральной компоненты плазмы. Требуемые условия реализуются в тлеющем разряде в стационарном потоке газа (ТРИ). Перспективным направлением является использование несамостоятельного ТРП в сочетании с охлаждением газовых смесей до криогенных текпоратур (Т^-ТОО К).

Наличие газового потока обусловливает существенны» отличия ТРП от достаточно хорошо изученного тлевцзго разряда (ТР) низкого давления в трубках, проявлягдйесп в особенностях структура ТРП, мехаызмов его охлаждения, стсб1?.и!зя!дп1, заро7;до1г,:л и развития неустойчивсстей в приэлектродных областях.

В ряде технологических процессов вакуушю - нлазмеш-юй модификации поверхностей материалов (травление, осаждение) эффективность обработки в знзчителн-ой степезш определяется энергией ионной компоненты и концентрацией зктгаявх частиц в приповерхностном слов. Наиболее оптимальные ре-даы обработки реализуются в плазме высокочастотного разряда (БЧ) пониженного давления с непрерывной прокачкой рабочего газа. Скорость технологических процессов в значительной степени связана с температурой нейтральной компоненты, опродэлящой величину теплового потока к обрабатываемой поверхности к ео нагрев.

К началу выполнения настоящей работы данные, полученные о характеристиках тлеющего разряда в газовом потоке, были немногочисленны. Практически отсутствовали результаты исследований нагрева нейтральной компонента плазмы, генерируемой в реальных технологических устройствах на основе ТРП, в том

числе несамостоятельного тлеющего разряда в потоке газовых смесей при криогенных температурах. В значительной степени это было обусловлено сложностью экспериментальной диагностики ТРП, требующей применения бесконтактных методик, позволяющих контролировать параметры плазмы при наличии турбулентности.

В настоящей работа объектами исследования являлась плазма самостоятельного и несамостоятельного тлеющих разрядов в потоке азота и его смесей с С0г, Не, СО при нормальной (-300 К) и криогенной (-100 К) температурах, используемая в качестве рабочих сред мощных технологических С0г- и СО-лазеров, а также СЛ - плазма высокочастотного разряда, применяемая в технологиях травления и нанесения тонких пленочных покрытий в микроэлектронике.

Работа выполнялась в рамках тем "Плазма 2.27", "Плазма 3.13" Плана важнейших научно-исследовательских работ в области естест-веншх, технических и общественных наук по Республике Беларусь, Республиканской научно- технической программы "Вакуумная техника и вакуумные технолога!", а также по заданию ряда хозяйственных договоров с предприятиями Республики Беларусь и России.

Целью дассертациоанной работа было установление основных каналов нагрева нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потока смесей молекулярных газов К2, С02, Не, СО при средних давлениях. Для достижения поставленной дели необходимо было решить следующие задачи:

- развить метода диагностики плазмы тлеющего разряда в потоке молекулярных газов при нормальной и криогенной температурах;

- изучить характер течения плазма в канале разрядной камеры;

- исследовать особенности формирования пространственной структуры самостоятельного и несамостоятельного тлеющих разрядов з потоке газовых смесей;

- определить температуру нейтральной компоненты плазмы тлещего разряда в потоке молекулярных газов для широкого диапазона рабочих режимов разряда;

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем.

I. Развит метод определения температуры нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в смесях молекулярных газов при средних давлениях и температурах Тц =У 100 * 700 К по

относительному распределению интенсивностей в неразрешенных по вращательной структуре электрошго-колебятелышх полосах двухатомных гомо- и гетерсядерних молекул с учетом реальной структуры полос и аппаратной функции спектрального прибора.

2. Методом лазерной доплеровской анемометр™ исследованы параметры разреженного (10 t 60 Topp) газового потока в канале разрядной камеры как в присутствии электрического поля, так и в его отсутствие. Обнаружено увеличение пульсациошюй составляющей скорости газового потока при электрическом пробое газа, сопровождающееся ростом степени турбулентности потока.

3. Изучены особенности форшровэния структуры самостоятельного тлеющего разряда в потоке смесей Иг+ООг+Не с привлечением модели TP, учитывающей нелокальный характер спектра электронов в катодном слое.

4. Исследованы основные каналы нагрева нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потоке азота я его смесей с С0г и Не в зависимости от . удельного энерговклада, химического состава и давления смесей.

5. С использованием развитых в работе диагностических методов установлена качественная зависимость между скоростью плагмохимического травления Si/SlC^-структур в СаЕв-плазме высокочастотного емкостного разряда и степенью нагрева плазмы вблизи обрабатываемой поверхности, позволяющая контролировать кинетику процесса травления по изменению температуры нейтральной компоненты плазмы в приповерхностном слое.

Практическая значимость, работы.

Результаты проведенных экспериментальных исследований плазмы быстропроточного тлеющего и высокочастотного разрядов могут быть использованы при моделировании течений разреженных газовых и плазменных потоков, в расчетах скоростей элементарных процессов в неравновесных азотсодерхзвзк. плазменных средах, при разработка устройств для лазерйой техники, плазмохимии. Данные исследований механизмов диссипации вкладываемой в ТРП электрической энергий переданы в ТРИНИТИ им. Курчатова, НИЦТЛ РАН, использовались в опытном производстве МАЗ для оптимизации рабочих режимов технологических С02- и СО- лазеров. Результаты исследований CäFe- плазмы ВЧ емкостного разряда переданы на завод "Транзистор" НПО "Интеграл" для контроля 'технологических процессов обработки полупроводниковых материалов на серийных плазмохимических установках.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика определения температуры нейтральной компоненты газоразрядной плазмы в диапазоне 100 * 700 К по неразрешенной вращательной структуре электронно - колебательных полос двухатомных гомо- и гетероядерных молекул с учетом их реальной структуры и аппаратной функции спектрального прибора;

- результаты анемометрических исследований локальных характеристик разреженного (20 + 40 Горр) газового потока в прямоугольном канале, свидетельствующие о том, что воздействие самостоятельного поперечного тлеющего разряда на газовый поток вызывает возрастание амплитуды пульсационной составляющей его скорости л привода? к увеличению стопвии турбулентностк потока;

- эспериментально установлено, что при энерговкладе №/С<130 Дзс/г нагрев нейтральной компоненты плазмы самостоятельного тлеющего разряда в потоке азота и смесей Н2:С0г:Не~10:1:Г0 обусловлен в основном вращательной релаксацией молекул и упругим рассеянием на них электронов, а при И/Ц>130 Дк/г- колебательно-поступательной релаксацией молекул азота Мг(Х,У ) в осноеном состоянии, причем степень нагрева зависит от соотношения времени У-Т- релаксации и времени нахождения газа в зоне разряда;

- метод контроля кинетики процесса селективного плазмо-химического травления 31/3102-структур во фторуглеродаой плазме высокочастотного емкостного разряда, основанный на выявленной зависимости степени нагрева нейтральной компоненты плазмы вблизи обрабатываемой поверхности от скорости протекания реакций фторирования оксида кремния.

Личный вклад автора. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Научные руководители - доктор физико - математических наук, профессор ВД.Шиманович и ведущий научный сотрудник, кандидат физико -математических наук В.В.Ажаронок принимали участие в постановке задачи исследований, обсуждении полученных результатов и осуществляли руководство работой. Экспериментальные измерения были проведены совместно с соавтором работ Н.ИЛубриком.

Апробация работы. Основные результаты работы быт доложены на VIII МежреспуОл. семинаре "Лазеры и оптическая нелинейность" (Вильнюс, 1986); VI, IX Республ. конференциях молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике (Вильнюс, 1983, 1987); IV Всес. конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1988);

Межд. симпозиуме "Theoretical and applied aspects oí plasma Chemistry" (Рига, 1991); VIII Всес. конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991); 10th Int. symposium on plasma chemistry (Bochum, 1991); Меяц. школе-семинаре "Non-equllitrlm processes In gasea and low temperature plasma" (Минск,1992); конференции "Физика и техника плазмы" (Минск,1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, еключвющих 6 статей, I препринт Института физики АНБ, 6 тезисов докладов в трудах конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит ка введения, четырех глав, основных выводов и списка литература, включающего 191 наименование. Общий объем - 153 страница машинописного текста, включая 27 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, ¿формулирована цель работы, определены эв научная новизна п практическая значимость, кратко изложено содержание диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены результаты обзора работ, в которых приведены данные выполненных ранее исследований неравновесной плазмы тлеющего разряда в потоке молекулярных газов при средних давлениях. Основное внимание удалено вопросам, связанным с изучением каналов нагрева нейтральной компоненты плазмы ТРП. Рассмотрены современные теоретические модола ТРП, методы и результаты экспериментальной диагностики плазмы разряда в потеке азота и его смэсэй с С0г, СО, Не. Показано, что к началу выполнения настоящей работы основные представления о каналах распределения энергия в TFÜ в смесях Кг, С02, СО, Не были сформированы исходя из данных, полученных при изучении близкого по своим свойствам к ТРП кзазистащюнарного разряда в неподвижном газе, позволяющего моделировать некоторые процессы экергообмена в ТРП. Отмечено, что измерения температурных полей (Т (х,у)) в ТРП были проведены в основном с пр:шене:?ием контактных методов, характеризующихся существенными систематическими погрешностям!, и малопригодных для диагностики СО-, СОг-содеркащих плазменных сред. Установлено, что исследования ТРП при криогенных температурах рабочих газовых смесей практически отсутствовали.

Во второй главе представлены результаты оптико- спектроскопических исследований параметров газового потока и пространственной структуры самостоятельного и несамостоятельного ТРП. • В §2.1 содержится описание принципиальной схемы экспериментальной измерительной установки, методики и результатов исследований характера течения плазмы в разрядном канале. В начале параграфа приведет технические характеристики и указаны рабочие pes3n.ni используемых в работе электроразрядных устройств. Стационарный самостоятельный тлеющий разряд в потоке азота и его смесях с С0г и Не возбуждался в разрядной камере технологического С02-лазера между плоским сплошным эквипотенциальным анодом площадью 800 х 3Ü0 мм и . секционированным катодом. Удельный энэрговклад W/G и общее давление смеси Р варьировались в диапазонах 50 + 250 Дж/г и 10 + 45 Topp соответственно. Температура газа на входе в разрядную камеру составляла .Tg-300 К. Исследования несамостоятельного тлеющего разряда в штоке смеси C0+N2, поддерживаемого электронным пучком с энергией -100 кЭв, проводились с использованием разрядной камеры технологического электроионизационного СО-лазера. Разряд возбуждался между сетчатым эквипотенциальным анодом и секционированным катодом, образующими между собой плоское сопло с сечением на входе 450 х 55 мм, длиной по штоку 200 мм и углом раскрытия а = 6°. Величина энергоЕклада составляла 120 Дж/г, температура прокачиваемой рабочей смеси -100 К,

Среднемассовая скорость движения газа Vp в центральной и приэлектродных зонах разрядной камеры в потоке С02+Нг+Не определялась методом лазерной доплеровской анемометрии с использованием в качестве рассеивающих центров естественно присутствующих в среде дисперсных частиц с характерным поперечным размером -1+2 мкм. Относительная среднеквадратическая погрешность измерений Vr не превышала 1%.

Показано, что среднемассовая скорость потока газа (Vr-I05 м/с).практически не зависит от давления и химического состава смесей. Течение газа при Р> 30 Topp имеет выраженный турбулентный характер с однородным профилем скорости Vr(L) вдоль межэлектродного промежутка L и уровнем турбулентности 0,06. При Р < 30 Topp значение снижается до -0,01. Обнаружено, что включение разряда в камере сопровождается Увеличением амплитуды

пульсационной составляющей скорости потока. При этом в прикатодной и центральной зонах разряда достигает значений 0,0Э и 0,08 соответственно. Сделан выеод о том, что наиболее вероятной причиной изменения турбулентных свойств потока при электрическом пробое газа в канале разрядной камеры является его локальный нагрев вблизи катодных элементов. Получешме результаты согласуются с имеющимися в литературе данным!.

В 2.2 и 2.3. изложены результаты исследований спектрального состава и распределения интенсивности излучения I(L) плазмы тлеющего разряда в потоке газовых смесей. Спектры испускания плазмы самостоятельного разряда в смесях Н2+С0 +Не представлены молекулярным! полосам! К2, H¡, НО. В несамостоятельном разряде в смэси Н2+С0 наряду с упомянутыми выше компонентами присутствовали также полосы ИГ, Сг и атомные линии Cul, Nil Fel.

В самостоятельном ТРП распределение I(L) было изучено в различных в направления газового потока сечениях разрядной камеры: над поверхностью токопроводящих катодных элементов и между ними. Установлено, что особенность пространственной структуры разряда в направления электрического поля и вдоль газового потока определяется нелокальным характере:* энергетического спектра электронов рмиссии из катодного слоя, дискретной структурой катода и зависит от химического состава работах смесей. Для несамостоятельного разряда характерно более однородное, по сравнению с.самостоятельным ТРП, распределена I(L), за исключением узких приэлзктродкых областей, где интенсивность свечения плазмы существенно еые: еолйчен KL), регистрируемых в центральной зоне мекэлектродного щюмекутка. Анализ изменения соотношения значений I вдоль кзэсэле-ктродного прокекуткз для рааяичвдх молекулярных компонент позволил сделать вывод о том, что в несамостоятельном разряде' в смэси С0+Нг при Tg~I00 К существенную роль _ ^ в дезактивации колебательно- возбуждена« тпекул COU, V ) и К (X, У ) играют процессы квазирезонансного мзиадекулярного эпергообмена

cou, v">10) + С (X) —> С0(Х, '/') + С t(fn), (I) ft Z f 1 2 „

C0(X, V^alO) +• CN(X) —> C0(X, V ) + CtJ(B^), (2)

N2(X, v' *2:I2) + CN(X) —> H2(X, v") + CîJ(B*Z). (3)

Креме того, на основании проведенных в работе расчетов энергии колебательных уровней молекулы Нг в основном электронном

состоянии (Х'е, v" ) и мола куш С2 в возбужденном электронном состоянии (<fn, у ) было установлено, что наряду с ранее известными реакциями (I) - (3) возможен дополнительный механизм дэвозбуадешя молекул Я2(Х, V ):

* ' 1 а

НгЦ, У >9) + С, (Л —-> Я,<*. У ) + 0,(0 п). (4)

Третья глава посвящена исследованию нагрзва нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потоке смэсей N2+C0 и Н,+СО,+Не. Диапазон изменения рабочих режимов разряда: YJ/& = 50* + 300 Дж/Г, Р=10 t 45 Topp, Tg=I00 + 600 К.

В 'j3 Л обоснована возможность определения температуры нейтральной компоненты Tg по относительным интенсивностям излучения плазмы в полосах 2+ системы молекулы Ыа и I- системы иона Н2, используемых в качестве пирометрических. Из анализа зарегистрированных с разрешенной вращательной структурой эмиссионных спектров N2 и N2 бал установлен больцмановский вид распределений молекул N2, Ii* по вращательным уровням, характеризующихся вращательной температурой Тго1-

Допустимость отождествления Trot с Т в исследуемых

условиях следует из совпадения температур Тггс1 и Яго1, измеренных по полосам Н и N2 , а также из оценок соотношения времен жизни тс молекул N2, N2 в возбужденных электронно-колебательных состояниях сэпи, b*s: с учетом их тушения при можмолекулярных столкновениях (N2-N2, N2-C0) и соответствующих времен rgT я-т-релаксацш (тс/тят>5) •

В §3.2 содержится описание метода определения по

неразрешенной вращательной структуре электронно- колебательных

+

полос 2+ системы N2 и I- системы Na с учетом их реальной структуры и аппаратной функции спектрального прибора. Приведены результаты измерений Tg. Отмечено, что полученные для самостоятельного разряда зависимости температуры Т от удельного энерговклада имеют две характерные области: при и/G < 130 Дж/г температура существенно возрастает, а при W/G> 130 Ди/г- слабо измененяется с ростом энерговклада. Значения Т^ для несамостоятельного разряда в криогенной смеси N2+CD, измеренные в прианодной, прикатодной и центральной зонах разрядной камеры, в режиме наиболее устойчивого горения разряда составляли соответственно 500, 670 и 120 К. Среднеквадратическая

погрешность определения Tg нэ превышала 5-7%.

В § 3.3 проведен анализ изменения температуры Tg и интенсивности излучения в полосах 2+ системы И в зависимости от удельного энерговялада, давления и химического состава смесей в самостоятельном ТРЛ, на основании которого установлены основные каналы диссипации подводимой к разряду электрической энергии в тепловую.

Установлено, что в разряде в чистом азоте при W/G< 130 Дж/г и Р=Ю + 15 Topp нагрев плазмы обусловлен вращательной релаксацией молекул Н2 и упругим рассеянием на них электронов ("быстрый", нагрзв, с долевой частью г)д+г в балансе вкладываемой в разряд энергии W), а возбуждение состояния C3ri N2 происходит в результате парных столкновений метастабилей N (/£). Показано, что с увеличением энерговклада (W/G >130 Дж/г) и давления (Р > 15 Topp) в PK величина E/N возрастает. В этих условиях основная часть энергии W аккумулируется в колебательных состояниях Nz(X, У ) и роль "быстрых" процессов в нагреве становится менее существенной. Доминирующим механизмом возбуздения состояния С'пц при этом становится прямой электронный удар, что подтверждается резким ростом интенсивности излучения в полосах 2+ системы Мг.

Наблюдаемая зависимость температуры нейтральной компоненты плазмы ТРП от давления отлична от линейной, характерной для TP в трубках. В исследуемых условиях время пролета газа через зону разряда т составляло ~2-Ю"3с. Времена колебательно-поступательной релаксации т7Г, оцененные с учетом энгармонизма молекулы N^ и процессов V-V- обмена, превышают {тут> 4-Ю"3) значения ty при давлении азота Р< 25 Topp, в то время как при Р>, 25 Topp характерные значения 1-Ю"эс сопоставимы с т^. Таким образом, в разряде в чистом азоте при Р< 25 Topp основной нагрев плазмы за счет V-T- релаксации колебательно-возбужденных молекул N2(X,7 ) происходит"вне исследуемой зоны разряда и, как следствие, наблюдается'снижение температуры Tg с ростом давления. При давлении азота >25 Topp термализация колебаний молекул N(X,V ) происходит в зоне разрядной камеры (Т « тVT), что сопровождается повышением Тд с ростом Р. В области низких энерговкладов, где нагрев определяется в основном "быстрыми" процессами выявленная нелинейная зависимость

температуры Т от давления азота менее выражена.

В смесях N2+He при W/G < 130 Дж/г температура выше, чем в

чистом N , так как в этом случае включаются механизмы нагрева, связанные с упругим рассеянием электронов на атомах Hei, а также с тушением гелием метастаОилыюго состояния . В области энерговкладов W/G> 130 Дж/г уменьшив при добавлении гелия к Нг связано со снижением в его присутствии эффективности процессов V-Y- обмена молекул Nt(X,V ), дающих существенный вклад в нагрев плазмы. Наблюдаемое в присутствии гелия щи W/G> >130 Дж/г и PN > 15 Topp возрастание интенсивности излучения

г

IN в полосах 2+ системы N2 связано, по-видимому-, с увеличением 2 , , скорости дезактивации молекул И ) электронам!. При

добавлении к азоту С02 наблюдается уменьшение интенсивности

свечения плазмы ГРП и увеличение ее поступательной температуры,

что обусловлено возрастанием числа упругих столкновений

электронов и нейтральных частиц, ростом скорости тушения

молекул N2 в состояниях и Cfn при столкновении с С02, а

также собственной V-Г- релаксацией молекул С02 (характерное

со

время Ю"9с).

В отличие от . самостоятельного ТРП, несамостоятельный разряд характеризуется значительными градиентами темпертурного поля в межэлектродном промежутке. Существенная доля вкладываемой в разряд электрической энергии расходуется на нагрев смеси в приэлектродаых зонах . В частности, вблизи катода, в области . перехода от прикатодной зоны к положительному столбу, перепад температур составляет ¿Tg- 550 К. Последнее является одной из причин возникновения наблюдаемых в. ряде случаев неустойчивостей разряда и изменений оптических свойств рабочей среды в зоне резонатора разрядной камеры электроионизационного СО- лазера.

Развитые в работе спектроскопические метода были использованы для диагностики технологического процесса плазмохимического травления (ПХТ) Sl/S102-структур во фторуглеродной (С,Гв) плазме высокочастотного емкостного разряда, соответствующие результаты исследований приведены в четвертой главе диссертации.

В начала главы дан краткий обзор существующих методов контроля процесса ПХТ Si/S102-Структур, проанализированы их возможности и недостатки. Отмечено, что часто используемый в настоящее время метод изучения процесса ПХТ по относительны,',! интенсивностям' хший излучения возбужденных атомов и молекул,

являющихся реагентами или продуктами протекающих в плазме химических реакций, не всегда приемлем, так как регистрируемое свечение плазмы характеризует концентрацию' ее компонент в возбужденном состоянии, механизм заселения которого может не зависеть от реакций на поверхности 31, 3102. В связи с этим в настоящей работе была изучена возможность контроля процесса ПХТ по параметру плазмы, непосредственно связанному с кинетикой травления. Таким параметром является температура нейтральной компоненты, определяющая величину теплового штока к обрабатываемой поверхности и, следовательно, скорость травления.

Параграф 4.1 посвящен исследованию пространственной структуры разряда. ВЧ разряд возбуждался в разрядной камере промышленного плазмохимического реактора планарного типа. Частота электрического поля составляла I ч= 5,28 МГц, вкладываемая электрическая мощность- 1,6 + 2 кВт, амплитуда ВЧ-напряжения- ивч=145+170 В, давление и расход хладона - I Торр и 10" м3/с соответственно. Величина можэлектродного зазора (Ь = =21 мм) уменьшалась при ПХТ до 6 мм путем установки на нижнем заземленном электроде алюминиевых держателей, используемых для размещения 51- пластин с нанесенным 3102- слоем.

Полученные распределения интенсивности свечения плазмы I(Ь) имели вид, характерный для слаботочного режима горения высокочастотного разряда: в приэлектродешх зонах Ьэ - 2 км, образованных нескомпенсированным положительным пространственным зарядом, свечение плазмы практически отсутствовало. Для межэлектродного расстояния Ь= 6 мм в распределении 1(Ь)

тс)-у

наблюдался один интенсивный максимум I вблизи заземленного электрода. Распределение 1(Ь) в межэлектродном промежутке с Ь= =21 мм характеризовалось наличием протяженной светящейся зоны, подобной положительному столбу ТР постоянного тока. При этом в центральной области разряда, за исключением переходных зон с повышенной интенсивностью свечения на границе с приэлектродными слоями Ьэ, распределение 1(Ь) было достаточно однородно. Причиной повышенной эффективности возбуждения атомных и молекулярных компонент в переходных областях Ьд ВЧ- разряда является, по-видимому, существование в прмэлектродных зонах значительных по величине квазистационарных электрических полей Е , создаваемых слоем нескомпенсированного положительного заряда. Толщина приэлектродного слоя пространственного заряда

Ьа, оцененная по формуле 18 = ме Е/(Р и), где 2п1вч, ио -1/2-ивч - потенциал плазмы с учетом влияния ' квазистационарных полей Е0, Е= У0/Ь - напряженность электрического поля в центральной зоне плазменного столба, подвижность электронов, составляла для Ъ= 6 и 21 мм соответственно -4 и -2,5 мм. Это согласовалось со значением Ьч, определенным из профилей 1(Ь).

В §4.2 приведены результаты измерения температуры нейтральной компоненты С3Рв-плазмы в отсутствие кремниевых плэспш в разрядной камере. Определение пространственного поля температуры Т^ в разряде проводилось при типичном рабочем межэлектродном расстоянии 1= 6 мм по относительной интенсивности вращательных линий полос системы Ангстрема молекулы СО и (1-) системы М^. Измеренные распределения были существенно

неоднородны. Максимальные значения Т^ах достигались в зоне, удаленной на -1-2 мм от поверхности заземленного электрода, характеризующейся максимальными значениями интенсивности излучения плазмы. В этой же зоне наблюдались наибольшие временные изменения температуры. В течение первой минуты с момента включения разряда возрастала, затем уменьшалась до значения, регистрируемого в центральной зоне межэлектродного промежутка. Скорость снижения Т™ах при атом коррелировала со скоростью спада интенсивностей излучения Х133* в молекулярных полосах Н+, СИ. Последнее позволило связать особенности изменения ТцШ в процессе горения разряда с присутствием в разрядной камере азота. Установлено, что наиболее вероятной причиной нагрева нейтральной компоненты плазмы в этом случае является дезактивация метастабильных состояний Аа£* молекулы

.2 В,(А"ф -> }1г(Гф + Иг(В3п8) + ДЕ, (5)

сопровождающаяся выделением в тепло энергии дЕ. Оцененный за счет процесса (5) нагрев плазмы дТ^ составил -100 К, что согласовалось с экспериментально измеренным значением дТ^, наблюдаемым в течение первых -1,5 мин с момента включения разряда.

Параграф 4.3 посвящен изучению кинетики нагрева С3Ра-плазмы при травлении ЙШ!^-структур, Показано, что в присутствии в плазме примеси кислорода (210%) регистрируемые в процессе травления Б10, зависимости 1„л л „ (г), обычно

используемые для контроля процесса 1кт, не позеоляют получать

надежную информацию об относительном изменении его скорости и определять момент окончания травления.

Установлено, что процесс травления ЗЮ2 в СзРа-плазме ВЧ емкостного разряда, в отличие от процесса травления кремния, сопрововдается значительным повышением температуры Тв приповерхностном слое. Разница температур, измеренных при правлении кремния и 31/3102- структур, в средней фазе технологического цикла составляла ~60 К. Отмечено, что наиболее вероятным каналом нагрева плазмы в процессе травления ЗЮ2 является диссипация в тепло энергии реакций фторирования оксидного слоя. Последнее позволило использовать результаты определения Т^ для интерпретации физико- химических процессов, протекающих в различных фазах технологического цикла ПХТ 31/3102- структур, и предложить метод контроля относительного изменения его скорости.

В соответствии с циклограммой технологического процесса, в

течение первой минуты травления 3102 температура Тд в

приповерхностном слое плазмы повышалась со скоростью эт^ /аг ~

-2,5 К/с, наблюдаемой как при ПХТ- так и в отсутствие

пластин в разрядной камере. Последнее свидетельствовало о том,

что рост Тд на начальном этапе процесса травления 3102 связан в

основном с дезактивацией мвтастабильных состояний

присутствующих в плазме молекул азота. При этом нагрев за счет

реакций фторирования 3102 из-за та невысокой эффективности был

незначителен. Для данного этапа ПХТ характерно также интенсивное

осаждение на поверхности образца фторуглеродной пленки, что

подтверждалось увеличением интенсивности излучения 1ср в

2

полосах СР2.

Затем в процессе травления Э102 температура Тд возрастала

со скоростью, существенно превышающей значение эт^/в!;,

наблюдавшееся при ПХТ Б!, и достигала спустя -2 мин после начала

ПХТ своего наибольшего значения. При этом скорость травления

3102, по-видимому, была максимальной, что подтверждалось спадом

интенсивности 1ср , обусловленным уменьшением в процессе ПХТ 2

концентрации фтора. В дальнейшем температура снижалась и к моменту окончания травления устанавливалось значение т^, наблюдавшееся на 1-й минуте ПХТ-процесса. Интенсивность излучения в полосах СР при этом возрастала, так ьак рабочая

смесь вновь обогащалась фтором. При уменьшении вкладываемой в разряд мощности величина нагрева плазмы и скорость травления SiOj-слоя снижались: длительность ГОСТ при W= 2 и 1,8 кВт составляла 6 и 10 мин соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развит и апробирован метод спектроскопического контроля температуры нейтральной компоненты неравновесной газоразрядной плазмы при средних давлениях и температурах от 100 до 700 К по распределению относительных штенсивностей в неразрешенных по Еращзтельной структуре электронно - колебательных полосах двухатомных гомо - и гетероядерных молекул, учитывающий их реальную структуру и аппаратную функцию спектрального прибора.

2. С применением метода лазерной доплеровской анемометрии установлено влияние самостоятельного тлеющего разряда на параметры разреженного (10+60 Topp) турбулентного газового потока: при наличии электрического поля в канале уровень турбулентности потока (-0,09) превышает значение, характерное для потока нейтрального газа (-Q.06).

3. Показано, что пространственная структура неоднородного самостоятельного тлеющего разряда в потоке смесей N2+C02+Ke при давлениях -20-40 Topp в значительной степени связана с нелокальным характером энергетического спектра электронов эмиссии из катодного слоя.

4. Установлены основные каналы нагрева нейтральной компоненты и причины уменьшения степени колебательной неравновесности плазмы тлеющего разряда в потоке молекулярных газов Njt С0г, СО, Не и их смесей. В самостоятельном разряде в смесях Н2:СОг:Не -10:1:10 при энерговкладэх W/G< 130 Дж/г награв обусловлен преимущественно процессами R-T- релаксации молекул и упругим рассеянием на них электронов, а при W/C> 130 Дк/г - V-T-релаксацией молекул азота И2(Х,У ), причем степень нагрева зависит от соотношения времени У-Г- релаксации и времени нахождения газа в зоне разряда. В несамостоятельном разряде в смеси Нг+С0 при температурах ■ Т-100 -К значительную роль в снижении степени колебательного возбуждения молекул Ы2 (К, V ') и C0(X,V ) играют процессы их квазирезонансного межчастичного энергообмена с образующимися в разряда радикалами CN и С0.

5. Показано, что присутствие во фторуглеродной плазме высокочастотного емкостного разряда молекул азота приводит к

существенному возрастанию температуры нейтральной компоненты плазмы в граничащих'с приэлектродными зонами областях разряда. При плазмохимическом травлении поверхности полупроводниковых материалов это может симулировать нагрев образца, снижающий качество его обработки.

6. Экспериментально установлено, что процесс травления S102 во фторуглеродной (СэРа) плазме высокочастотного емкостного разряда, в отличие от процесса травления кремния, сопровождается значительным повышением температуры нейтральной компоненты в приповерхностном слое. Предложен метод контроля процесса селективного травления, основанный на зависимости величины нагрева газа вблизи обрабатываемой поверхности от скорости реакций фторирования оксидного слоя.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах.

1. Ажаронок в.В., Скутов Д.К., Филатова И.И., Чубрик Н.И., Ииманович В.Д. Спектроскопическая диагностика активной среды быстропроточного электроразрядного С02-лазера / Мат. YIII Лит.-Бел. семинара "Лазеры и оптическая нелинейность". Вильнюс, 1986.- С.63-70.

2. И.И.Филатова, Д.Ы.Снрокваа. Спектроскопическая диагностика тлеющего разряда в потоке газов С02, N2, Не / Тез. докл. VIII Респ. конф. молод, ученых по спектроскопии и квант, электронике. Вильнюс, 1937.- С.43.

3. Ажаронок В.В., Мельников В.В., Скутов Д.К., Филатова И.И., Чубрик Н.И., Шиманович В.Д. Измерение газовой температуры в тлеющем разряде в азоте с быстрой прокачкой // Журн.прлкл.спекр.- 1987.- Т.47, Л5.~ С 728-732.

4. Ажаронок В.В., Антшгав Е.С., Филатова И.И., Шиманович В.Д. Спектроскопические исследования объемного тлеющего разряда в быстром потоке Мг, И2+С0г+Нэ. // Тез.докл. IV .Всес. конф. по физике газового разряда. Махачкала, 1988.- Ч. 2. С.57-58.

5. Ажаронок В.В., Филатова И.И., Чубрик Н.И., Шиманович В.Д. Оптико-спектроскопические исследования тлеющего разряда в поперечном потоке азота и его смесях с углекислым газом и гелием. Минск, 1989.- 46 с. (Препринт / Институт физики АН БССР: А 558)

6. Azharonok V.V., Gurashvlll V.A., Kuzmln V.N., Türkin N.G., Fllatova I.I., Chubrlk N.I., Shlnanovleh. Dlp^ostlcs oi cryogenic non-self-malntalned glow discharge m a mixture of

molecular gases / iroc. int. Symposiufo on 4heor. and Appl. Aspects of Plasma Chem. Riga, 1991.- P. 6-8.

7. Ажаронок B.B., Айтйпов E.C., Скутов Д.К., Филатова И.И., Чубрик Н.Й. Шиманович В.Д. Тлеший разряд в йойеречном потоке asota и его смесях с углекислым газом й Гелием // ТВТ.- 1991.- Г. 29, № 3.- С. 401-408.

8. Azharonok V.V., Antlpov E.S., Filatova I.I., Chubrik H.I., Shimanovlch V.D. Diagnostics of Seli-Malntalned Glow Disharge In a fast Flow of Molecular Gases /Ргос. 10th International Symposium ou Plasma Chemistry. Bochum, 1991.- V. 2. -P. 1-6.

9. Ажаронок В.В., Филатова И.И., Чубрик Н.И., Шиманович В.Д. Диагностика несамостоятельного тлеющего разряда в потоке криогенной смеси молекулярных газов / Тез. VIII Всес. конф. по физике н/т плазмы. Минск, 1991. 4.2. С. 217-218.

10. Azharonok Y.V,, Filatova I.I. Chubrlc N.I., Shlmanovlch V.D. Spectroscopic diagnostics of low pressure nonequilibrium iluorcarbon HP-plasma / Proc. International school seminar "Nonequilibrium processes In gases and low temperature plasma". Minsk, 1992. P. 104-105.

11. Ажаронок B.B., Гурашвили В.А., Кузьмин B.H., Туркин Н.Г., Филатова И.И., Чубрик Н.И., Шиманович В.Д. Исследование несамостоятельного тлеющего разряда в смеси CQ+N2 при криогенной температуре // Сизика плазмы.- 1993.- Т. 19, ;» 7.- С. 903-909.

12. Филатова И.И., Ажаронок В.В., Чубрик Н.И., Шиманович В.Д. Спектроскопические исследования процесса плазкэлилического травления Si/S102-структур / Тр. конф. "Физика и техника плазмы". Минск, 1994.- Т. I.- С. 220-223.

13. Филатова И.И., Ажаронок В.В., Кунашкевич М.В., Чубрик К.П., Шиманович В.Д. Пространственно-временная структура емкостного ВЧ-разряда в галогеносодеряащих газах при пониженных, давлениях // Вести АНВ, сер. физ.-мат. наук.-1994.- М.

РЭЗШЭ. Ф1латава 1рына [ванауна.

Нагрэу нэйтральнай кампаненты плазш тлеючага разраду У

патоке малекулярных газа? пры сярадшх ц1сках.

Сэмэстойны I несамастойны тлеючыя разрады, высокачастотнн

разрад, тэмпература нейтральней кампаненты плазмы, зм!с!йная спектраскашя, лазерная доплераУская анемаметрыя, плазмах!м!чнаа трауленне.

Разв!т метад дыягносщк! нерзвнавеснай плазмы па невырашзльнай вярчэльнай структура электронна-вагальных палое гома- I гетэраядзерных двухатамных малекул з ул1кам 1х рэальнай структуры I апаратнай функцы! спектральнага прибору. Даследаваны зсноУныя каналы нагрэву нейтральней кампаненты плезмы самастойнага 1 несамастсйнэга тленных разрадау у патоке сумесей малекулярннх газау Я2, С02, СО, Не лры нормальней (300 К) 1 крыягеннай (100 К) тэмпэратурах. Метадам лазернай доплераускай энемзметры! 1змераны проф!ль скорасщ 1 параметры турбулентнасц! газавага патоку. Абнаружана павелнзнне ступен! турбулентнасц! патоку пры электрычщм прабое газу у канале разраднай камеры. 3 выкарыстаннем рэспрацаванага у рабоце спектраскзшчнага метаду праведзена дыягноецша С^-плазмы ВЧ разраду при плазмахиичнем трауленн! 31/3102-структур. Прапанован мзтад кантролю працэса траулення 31/3102-структур, заснованы на залежнасц! его скорасц! ад нагрэву нейтральней кампаненты плазш У прыпаверхневым пласце.

РЕЗЮМЕ. Филатова Ирина Ивановна.

Нагрев нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потоке молекулярных газов при средних давлениях.

Самостоятельный и ' несамостоятельный тлеище разряды, высокочастотный разряд, температура нейтральной компоненты плазмы, эмиссионная спектроскопия, лазерная доплеровская анемометрия, плазмохимическое травление.

Развит метод диагностики неравновесной плазш по неразрешенной вращательной структуре электронно- колебательных полос гомо- и гетероядерных двухатомных молекул с учетом и реальной структуры и аппаратной функции спектрального прибора. Исследованы основные каналы нагрева нейтральной компоненты плазмы самостоятельного и несамостоятельного тлеющих разрядов в потоке смесей молекулярных газов Ы2, С02, СО, Не при нормальной (300 К) и криогенной (100 К) температурах. Методом лазерной доплеровской анемометрии измерены профиль скорости и параметры турбулентности газового потока. Обнаружено увеличение степени турбулентности потока при электрическом прооое газа в канале разрядной камеры. С использованием развитого в работе спектроскопического метода проведена диагностика С^-плазмы ВЧ разряда при плазмохимическом травлении 31/3102-структур. Предложен метод контроля процесса травления 31/310^- структур, основанный на зависимости его скорости

от нагрева нейтральной компоненты плазмы в приповерхностном слое.

SUMMARY. Fllatova Irlna Ivanovna.

The heating of plasma's neutral component oi glow discharge in the flow oi molecular gases at middle pressures.

Seir-malntend and non-self-maincend glow discharges, high frequency discharge, temperature of plasma's neutral component, emission spectroscopy, laser doppler aneraometry, paama etching.

The method has been developed oi nonequlllbrlum plasma diagnostics by studying unresolwed rotation structure oi electron- vibration bands of homo- and heteronuclear diatomic molucules taking into account their real structure and function of spectral device. Main chanels of heating of plasma's neutral component of self-malntend and non-self-rr,alntend glow discharges In the flow of molecular gas mixtures oi Nz, C02, CO, He at room (300 K) and cryogenic (100 K) temperatures have been investigated. The velocity profile and turbulence parameters of the gas flow have been determined by the method of laser doppler anemometry. The lncreas of degree of flow turbulence has been detected when the glow discharge in the chamber takes plase. The diagnostics of C3Fe plasma of HF discharge has been performed during Sl/S102- structure etching processes using the spectroscopic method developed In this work. The method also has been proposed for the control of Sl/S102 etching process which is based on the dependence of the etching velocity on the heating degree of plasma's neutral component near the surface.

НАГРЕВ НЕЙТРАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ПОТОКЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ ПРИ СРЕДНИХ ДАВЛЕНИЯХ

Подписано к печати 29.11.94 г. Печать офсетная. Бесплатно. Формат 60x90 1/16. Объем 1,1 п.л. Уч.-изд. л. 0,9.. Тираж 100 экз. Заказ &&01.

Лицензия .№685 от 23 декабря 1993 г.

Институт физики AHB, 220072, Минск, пр. Ф.Скорины, 70

Отпечатано на ротапринте Института физики АНБ

ФИЛАТОВА ИРИНА ИВАНОВНА