Структура и свойства ВЧ разряда Е-типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РГо ОД

, ч ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Лисовский Валерий Александрович

.СТРУКТУРА И СВОЙСТВА.ВЧ РАЗРЯДА Е-ТИПА. 01.01.08. - физика и химия плазмы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени навдидата фгаико-матеиатических наук..

Харьков г 1993

На правах рукописи

Диссертация являэтся рукописью.

Работа выполнена Харьковском государственном университете. Научный руководитель - кандидат физико-математических паук

доцент Фареник Владимир Иванович. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Падвлка Валентин Глебович, проф.ХАИ; доктор физико-математических наук Швец Олег Михайлович, ННЦ ХОТИ.

Ведущая Организация - Институт ядерных исследований АН Украина, г. Киев.

Защита диссертации состоится "2-7, » 4 №

в 4Ц-- часов на заседании специализированного Ученого совета Д 053.08.01 Харьковского государственного университета по адресу: 310108, г. Харьков, пр. Курчатова» 31, вуд.301.

О диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной

библиотеке Харьковского государственного университета. •

Автореферат разослан " 1993 г.

Ученый"секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Н.А. Азаренков

Г. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Высокочастотный газовый разряд • емкостного типа и комбинированный (ВЧ разряд с наложенным на наго внесшим постоянным электрическим полам) разряд широко используются при различных технологических процессах: плазменное граалпние и осавдзяие полупроводниковых материалов, анодизация кремния и алшиния, ооазденив алга-.зоподоСных тонких пленок, накачка газовых лазэров и т.д. При этом для оптимизации плазменных технологических процессов часто необходимо знать условия пробоя газэ в разрядном устройства, а также формы стационарного горения разряда.'Поэтому численное моделирование и экспериментальное измерение кривых зажигания разряда в ВЧ однородном и ксмЗйироЕ&шшх пол«, а также параметров разряда ггри различных раяимах горения представляет значительный интерес.

В работа Нихары (1! проведен'математический анализ тэории элэкт рлчоских разрядов в газах путам подбора ооотеотствупцих моделей,-воспроизводящее процессы, возяикапгц'.а при Столкновении электронов с молекулами газа, и основаниях на экспериментальных данных. Полученные результаты автор применил, в частности, к рапенаю задачи о ЕЧ пробое для однородного поля» и диффузионного рекмэ. При этом возможная вторичная • электронная смиссия о поверхности электродов пэ учитывалась. Однако,-полученной уравнение пробоя в ВЧ пола неудовлетворительно описывало экспериментальные кривые загигания [2]. Сен и Гош [3], стремясь улучакть соответствие теории [1] экспериментальным данным [г], предложили изменить численные значения молекулярных констант, ислолъзЪзепнкх в [1], определив'вх но из вида И] Kiliara 2. - Rev.Modern Fhys., 1952, Т.£4, p. 45. 12} Óitheña S. - Phys.Rev., t943, 7.57. p.B22<

[3] Sen 8.N. and QMoBh A.K. т Indian J.Fhyn,, 196Э, V.36,. p.605. :

принятых моделей, а на основании экспериментальных данных. Однако . это не привело к предполагаемому существенному улучшению.

Как известно [4.5], в области малых давлений слева от минимума кривых зажигания ВЧ разряда имеется область неоднозначной зависимости пробойного ВЧ напряжения и f от давления газа р. При поникании давления пробойное ВЧ напряжение сначала уменьшается, проходит через точку перегиба и минимум, затем растет и достигает первой точки поворота. Дальнейший рост пробойного ВЧ напряжения происходит при уйеличешм давления'газа, т.е. на кривой зажигания'ВЧ разряда наблюдается область неоднозначности. После прохождения второй точки поворота кривая зажигания ВЧ разряда отклоняется в область низких давления. При этом после' пробоя ВЧ разряд горит в сильноточной форме, остальные части кривых зажигания ответствешш за появление слаботочной Формы. Данную ветвь кривой закигания часто называют резонансной, вторично-эмиссионной (в [2] она названа ь-модой пробоя), при этом основным механизмом рождения заряженных.частиц является вторичная электронная эмиссия с поверхности электродов.-Ветвь кривой зажигания'от перегиба до'точки, поворота можно назвать диффузионно-дрейфовой, т.к. для ее моделирования используют теории, учитывающие даМ>узий*и дрейф зарягадаых частиц в ВЧ поле [1 ] s при этом справа от минимума кривой закипания с ростом давления р про- . бойное ВЧ напряжение upf увеличивается по линейному закону (а-мода пробоя [2]). однако, после прохождения точки "перегиба [5] линейная зависимость иг; от р нарушается.

Вместе с тем, комбинированный разряд, соответствующий слабо-[4] ЛевитскиЯ С.М. -ГГФ,.1957, т.27, с.970. (53 Нропогов Н.Ю., Качалов Ю.А... Реука А.Г., Лисовский В.А., Его- ренков В.Д. и Фарешш В.И., - Письма в КГФ, 1988, т.14, с.359.

точной форме ВЧ разряда, характеризуется немонотонной зависимостью пробойного ВЧ напряжения urf or приложенного постоянного напряжения tldo. О увеличением постоянного напряжения пробойное ВЧ напряжение сначала растет (4,6-91, достигает.максимума и затем уменьша- , втся [4, 91. В случав сильноточной формы ВЧ разряда наблвдается только монотонное уменьшение пробойного ВЧ напряжения U1.

Представляется целесообразным свести воздано, многочисленные данные по пробою в ВЧ и комбинированных поляг и объединить' их на основе достаточно простой численной модели, параметры которой сле-.дует, определить из эксперимента.

- Хорошо известно [4,10,11], что высокочастотный емкостной газовый разряд . может гореть ' в одной из двух' заметно различающиеся форм. В слаботочном режима (а- разряд) проводимость приалектродных слоев, отделящих .электроды от плазмы, мала. Ток между плазмой и электродами разрядной камеры замыкается преимущественно током смещения; при этом плотность тока навалила. В сильноточном' режима (7-рвзряд) проводимость приэлектродных слоев значительна, причем оба слоя вэдуг себя подобно.катодному слов тлеющего.разряда постоянного тока, а самоподдаржание ионнЗго тока на.электрод обеспечивается за счет ион-электронной эмиссии и развития электронных лавин'в слое.

f63 Kirotacr Р.- Ann. der Phya., 1925, У.77, p.287,298.

t7l Klrohnep, P.-Phya.Rev., 1947, V.72, p.348. ,

[Bl Tarela Á.A. - Phys.Bev., 1947, 7.71, p.124.

[9] Sen S.W. and Bhattaaharjee В.- Can.iT.Phyu.,1965»Y.43¿p.1543;

1966, 7.44, p.3270. , [101Яценко H.A. .- KM. IS8I, 4.Ы. с.Ц9Б. 111 ] -Яценко H.A. .- Инх.-фиэ.ж,, IS92, т.62, 0.739.

Слаботочная форма наблвдвется при аэ слишком больших токах и ВЧ на- . 'пряжениях на »лектродах, в сильноточная - при ВЧ напряжениях, прв-вышапцих некоторые критические величины. При средних давлениях (р А Ь 10 Topp) ВЧ разряд переходит из а - в 7 - режим скачкообразно [10-14], при низких (р < ой Topp) давлениях - непрерывно [14,15), в то время как.при промежуточных давлениях { р ~ I Topp ) и достаточно больших межэлектродних расстояниях (ь.ь 4-5 см) с ростом ВЧ напряжения наблюдается последовательный переход ВЧ разряда из слаботочного в а - j гибридный и затем в сильноточный режим горения (15). Переход разряда из а- в 7- ракш • [10-15J сопровождается значительным увеличением (в несколько раз) разрядного тока и плотности плазмы. Вместе с тем, при переходе ВЧ разряда в инертных гб-ёах из слаботочного в сильноточный режим наблвдается область отрицательной дифференциальной проводимости [16,17], т.е. о ростом ВЧ напряжения ток проводимости в цепи электродов уменьшается, достигает минимума и лишь затем быстро увеличивается. Представляет интерес выяснить физические процессы, происходящие в ВЧ разряде в инертных газах при переходе из а- в у- режим горения.

В отличие от высокочастотного и тлеющего разрядов, структура которых изучена довольно детально, вопрос о структуре комбинировая-[12] Vidaud F*, Durrani З.М.А., Hall D.H.- J.rhyo.D,1988,7.21,p.57. (131 Vitruk •!.?., Bakef H.J<, Hall D.R.- J.Phyo.D,1992,7.25,P-1767.

[14] Рвйзвр Ю.П. и Шнейдер M.H. - Физика плазмы, 1987,т.13, с.471.

[15] Qodyak Т.А., Khawaeh A.S.-.IEEE Trane., 1966, Y.PS-14. p.112.

[16] Кропотов H.D, Лисовский В.А, Егоренков В.Д. и Фврекик В.И.-Мат. 2 Всес сов. по ВЧ разряду в волноеых полях,Куйбышев,Iэаэ,п.

[17] Кропотов Н.Ю, Лисовский В.А., Качалов D.A., Егоренков В.Д. и Фареник В.И.- Письма .в ЙГФ, 1989, т.15, в.21, с.17.

в

нога разряда остается открытым. Для поперечного комбинированного разряда ранее было получено £10], чтЬ в области давлений Ю~4- 10 Topp ногут существовать три типа разрядов: тлещий разряд посто-. янного тока, в котором под действием ВЧ поля создается незначитель-. ная дополнительная ионизация; типичный ВЧ разряд, в котором электрода постоянного поля действуют как двойной зонд и собирают токи, ■ ограниченные пространственными зарядами; промежуточный тип разряда, в котором ВЧ полэ создает достаточно ионов для значительного изменения катодного падания тлвщего разряда. Радиальный оптический вниссионный профиль разряда постоянного тока, поперечного безэлектродного, ВЧ,разряда и их комбинации измерен в [193, а поведение постоянной составляющей потенциала плазки продольного комбинированного разряда теоретически к експэрлментально рассмотрено в [го] в двух предельных, случаях: влияние постоянного напряжения па. ВЧ разряд и влияния ВЧ напряжения на разряд постоянного тока..

Для выявления физических закономерностей высокочастотных систем емкостного типа и повышения эффективности их использования в технологии была сформулфоввпп цельна боту:

объединить разрознанныэ. ек&мримаптальныа и теоретические данные ■ п построить одинув фекошнологическуп картину пробоя газа и структуры разряда в ВЧ и коиЯшкравантах полях. '

Для достиг« лпя ■ поставленной цеди потребовалось решение следующих задач: .

[18] Ytaanoto К., Okuda Т.- ¿ppl.Boient.Rea.(Hague),1355,Y.B5,р.144.

[19] Ooíohman Y.H., Qoldfarb Y.H., Tendier II.B.- Proo. 12th Int. Conf. on Phenoaena In 1оп1бв4'С1в.веа (Sin<lboven),1976,p.109.

.[20] Kohler К., Coburn «Mí., Horno D.E., £ajr В. and Keller tf.H. -J. Appl.Phye,, 1985, Y.57, P»59.

I. Экспериментально и теоретически исследовать пробой газа 'низкого давления в высокочастотном однородном поле и получить простые аналитические выражения, хорошо описывающие экспериментальные кривые Зажигания ВЧ разряда в широком даапвзоне давлений газе, ВЧ напряжений и мэжэлектродных расстояний.

?,. Экспериментально и теоретически выяснить влияние постоянного электрического поля на ВЧ пробой газа низкого давления и иссле-' довать структуру .и формы существования возникающего продольного комбинированного разряда. ^ .

3. Изучить явления в газоразрядном промежутке, сопровождающие, возникновение отрицательной дифференциальной проводимости ВЧ разряда в инертных газах при переходе из слаботочного в сильноточный режим горения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИШЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Значения молекулярных констант и вппроксимационные выражения для экспериментальных кривых зажигания ВЧ разряда.-

2. Факт существования точки перегиба на кривой зажигания раз-

*

ряда в постоянном электрическом поле и его теоретическое обоснова- ' ние. . • ...

3. Существование области неоднозначности.на кривой зажигания разряда в -комбинированном поле и результаты исследования зависимости ширины области от постоянного электрического поля.

4. Выражения для. уравнений пробоя ' в комбинированном поле для-, случаев слабого И сильного постоянного электрического поля.

5. Вывод о существовании трех форм горения продольного комби- . нированного разряда, низкого давления...

й

. 6. Существование немонотонного поведения плотности плазмы в ' . ВЧ разряде в аргоне в области промежуточных давлений.

Пряктическая_ценность_работы.

Результаты данной работы могут быть использованы при разработ-

I

не плазменного технологического оборудования для реактивного ионно-лучевого травления полупроводниковых и диэлектрических материалов.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1*- 8*] И докладывались на VI Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений'с плазмой (Душанбе /1991 >, II Межотраслевом научно-техническом.семинаре "Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике" (Харьков, 1991) и Между-' народной конференции "Физика не'Украине" (Киев, 1993). ' .

Диссертация состоит из введения, четырех глав а двумя таблицами и - 30 рисунками, заключения ■ и списка цитируемой литературы, включающего 74 наименования. Общий объем работа 92 страниц.'

■ Я. СОДШШШ РАБОТЫ.- .

?_П'1ЕЁ23л5М2. описана экспериментальная установка, диагностическая аппаратура ' и методы исследования. Указаны-диапазоны давлений газа, ВЧ и постоянного напряжений, в которых проводились исследования разрядных характеристик. ..'

Во_вто£ой_главе экспериментально и теоретически исследован 'пробой-газа низкого давления в.однородном высокочастотном поле, а • также в постоянном электрическом поле. На основе анализа.уравнения

Кшары для ВЧ пробоя и экспериментальных кривых зажигания. состава на таблица молекулярных констант для десяти газов и паров. Из вко-периментальних кривых зажигания методом наименьших квадратов получены аппроксимационныа формулы, описываадив различные участки (вто-> ричао-емиосионный, диффузионно-дрейфовый, участки и участок; справа от точки перегиба) кривых зажигания. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено наличие точки' перегиба на кривой зажигания разряда в постоянном электрическом пола,' а также выведены'просты а соотношения ыажду напряжениям и "давлениями в точке перегиба и минимуме, соответственно.

Третья_глава посвящена влиянию постоянного алектрыеского по- ■: ля на'кривые зажигания БЧ разряда, в частности, на область ноодно-Еначной зависимости пробойного ВЧ напряжения от .давления газа. Выведаны ' уравнения пробоя, .описываадиэ експеримэнталыше згривые зажигания при различном соотношении величин постоянного и ВЧ напря-' ейней для двух предельных случаев:' случай слабого и случай сильного'постоянного электрического поля. Исследованы Форш горения,- осе-. вая структура и вольт-амперные характеристики продольного комбини- ■ рованного разряда низкого давления. ■..•■'

В_чат|§]1тдй_главв рассмотрены особенности перехода ВЧ разряда низкого давления в аргоне из слаботочного.в сильноточный ракам го- .' рашя в' диапазоне давлений, при которых наблвдавтоя отрицательная. . дифференциальная проводимость. Экспериментально обнаружена иноола- • довано область некснотогшогй поведения плотности плазмы в центральной части ВЧ разряда, а также измерены параметры возникающей при атом ионизационной неустойчивости. Изучено влияние молекулярной до-вавка (воздуха) в аргоне на характеристики ионизационной неустойчивости к на область немонотонного поведения плотности плазмы. На ''./ '.'. . ' ■ .'10 •

основа полученных результатов предложено распространить область с чествования а - 7 гибридного ВЧ разряда й диапазон низких давлений газа и небольших меквлэктродннх промежутков.

В_завдшояии кратко сформулированы основные результаты работы;

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1

I) Исследовал пробой газа низкого давления в однородном ВЧ поле и в постоянном электрическом поле.

1) Проанализировано уравнение Кихврн для ВЧ пробоя газа и выведены выражения, связываыцие.величины молекулярных констант, используемых в уравнении Кихары, о положением минимума и точки перегиба кривой зажигания ВЧ разряда. На1основании полученных выражений и, экспериментальных кривых зажигания составлена таблица молекулярных констант для десяти газов и паров жидкостей. Проведен анализ экспэ-рлменталышх кривых зажигания и методом наименьших квадратов найдены аппроксимациовние формулы, описнващиэ различные ветви (вто-ркчно-вмиссконнуп и дифЕузионно-дрвЯфовуп вэтви, а также ветвь справа от точки перегиба) ВЧ кривых зажигания.

г) Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено наличие точки перегиба на кривой зажигания разряда в постоянном электрическом поле. На основе анализа уравнения пробоя в постоянном го-, лэ выведены простые соотношения, связываицие 'напряжения пробоя и давления газа в минимуме и точке перегибе, соответственно. Показано, что отношение поля пробоя к давлении газа в точке перегиба равно половшю величины молекулярной константы В0, в ионизационная , способность, электрона в той же точке в е/2 раза меньше, чем в минимуме кривой зажигания..

IX) Провэдено теоретическое и экспериментальное исследование пробоя газа низкого давления в комбинированном (ВЧ + постоянное электрическое) поле.

1) Экспериментально показано, что небольшое постоянное напряжение называет замэтноа увеличение пробойного ВЧ напряжения на прв-' вой ветви кривой зажигания, при атом относительная ширина области неоднозначности с.ростом постоянного напряжения уменьшается примерно по линейному закону вплоть до нуля, а минимум кривой зажигания смещается в область более высоких давлений'. При больших постоянных напряжениях, когда постоянное доле .вносит вклад в ионизацию газа, минимум кривой зажигания смещается в область низких давлений, а на : левой ветви кривой аажигания снова появляется область неоднозначности, причем ее относительная ширина с ростом постоянного напряжения линейно увеличивается.

2) Для случая слабого постоянного поля, не вносящего вклад в ионизацию газа, на основании уравнения Кихары й выражения для диффузионной длины разрядной камвры" при совместном действии ВЧ -и нэ.-.. большого постоянного влектрического поля, выведено уравнение пробоя газа низкого давления в комбинированном поле. Рассмотрен аредель- , ный случай промежуточных и средних давлений и не очень малых постоянных напряжений, когда полученное уравнение пробоя можно упростить. Данное уравнение пробоя позволяет рассмотреть влияние посто-

. янного поля на область неоднозначности.- '.'.-..-...•

: 3) Для случая сильного постоянного блектричвскогб поля, когда постоянное напряжение близко к потенциалу зажигания разряда на постоянном токе, получены три уравнения пробоя, описывающие различные участки кривых зажигания разряда в комбинированном поле, Первое уравнение выведено на основании уравнения пробоя в Постоянном .поле,

' ' п котором вместо постоянного поля пводено эффективное поле, и on сывает участок вблизи и справа от минимума привой зажигания. Вто рое уравнение выведено для случая низких давлений и небольших ВЧ напряжений, в нем учтено влияние ВЧ осцилляций влоктронов на пробой газа в постоянном поле. Третье уравнение описывает повторное появление области неоднозначности при больших постоянных напряжениях, Ш1зга1х давлениях и .амплитудах ВЧ напряжения, превшпапцих величину постоянного напряжеотя.

III) Проведено исследование структуры и форм существования продольного комбинированного разряда низкого давления. Получено, что комбинированный разряд в зависимости от соотношения величин ВЧ и постоянного напряхений может гореть в одной из трех возможных форм: ВЧ разряд, возмущенный постоянным полем; несамостоятельный разряд на постоянном токе с поддеряанием ионизации ВЧ полем; самостоятельный тлэщий разряд на постоянном токе. Были измерены осевые распределения плотности плаз?,и и вольт-амперные характеристики разряда во всех трех режимах горения. Показано, что при промежуточных даалзниях ВЧ разряд переходят из первой стадии Во вторую скачком, при этом резко увеличиваются активный ВЧ и постоянный токи в цепи электродов; при низких давлениях переход из первой стадии во вторую происходит плавно и непрерывно. Проведено сравнение ВЧ раз-.ряда с ВЕТосмещапием и комбинированного разряда. Показано, что пространственный щзофдль плотности плазмы для'вч рззряда с разомкнутыми по постоянному току электродами (ВЧ разряд с азтосмещвпиен) качественно совпадает с профилем плотности плэзгш для пэрвой стадии комбинированного разряда (ВЧ разряд, возмущенный постояпгам электрическим шлем).

' 17.) Исследованы явления в газоразрядном промежуткесопровов-

давдга возникновение немонотонного поведения' активного ВЧ тока в . цепи электродов, (отрицательной дифференциальной проводимости) в инертных газах. Показано, что в ВЧ разряде низкого давления в аргоне наблюдается область немонотонного поведения плотности плазмы, в центральной части разряда. При таких.давлениях аргона немонотонное поведение плотности плазмы наблюдается одновременно с отрицательной дифференциальной проводимостью, при промежуточных кв. давлениях эти два явления существуют в разных диапазонах ВЧ напряжений. Получено,.что ь области .немонотонного поведения плотности плазмы в БЧ разряде возникают'низкочастотные шумы .и колэОашгя повышенной амплитуда (ионизационная неустойчивость). .Определены области существования ионизационной неустойчивости, а такзга параметры плазменных 'шумов и низкочастотных колебаний, при различных концентрациях воздуха ь аргона. Показано, что наиболее ярко немонотонное поведение плотности плазмы выражено в чистом аргоне,■при концентрации аргона в воздухе меньше 20£ этот аффект нэ наблюдается. При возникновении низкочастотных кола3алий в ВЧ разряда появляются бе- . гущкэ страты, Немонотонное попе дома плотности плазмы в центра раз-рада объяснено ,вкранировкой ВЧ шля областями повышенной плотности плазмы на границах приэлектродных слоев I Предложено распространить область существования а - 7 гибридного режима ВЧ разряда в диапа--зон низких давлений и-небольших мекэлектродшх расстояний,.

■ Основные результаты диссертации опубликованы в следующих ра- . • ботах:

[1*] Лисовский В.А.'Комбинированный разряд низкого давления. -Ывт. 6 Всес. конф. по взаимодействию влектромагшггаых излучений с плазмой, Душанбе, 1991, о.108.. [г*] Лисовский В-.А. Отрицательная,дифференциальная'проводимость в

слаботочной форме ВЧЕ-разряда. - Ыаг. 2 Межотраслевого науч. технического семинара "Физические основн и ноше направлена плазменной технологии в микроэлектронике".Харьков,1991,с.48-41

[3*] Лисовский В.А. Разряд низкого давления в комбинированных по-. лях. - Там же, о.46 - 47.

[4*] Лисовский В.А. и Егоренков В.Д. Пробой газа низкого давления в комбинированных полях. - Письма в КТФ,19Э2,т.18,вЛ7,0.66-71.

15*] Лисовский В.А. Структура разряда низкого давления в комбинированных полях..- Письма в КГФ, 1992, т.18, в.19, с.15 - 20.

t6*J Iiioovsky 7.A. and Yegorenkov 7.D. Lo» ргеввигв gao breakdown In EÍ and DO fielda. -Proo. International Conference "Phyoioo in Ukraine", Contributed Papero, Planma Phyoioa, Kier, 1993, p.156 - 159. .

[7*] Мвсувку V.A. and YegorenkOV 7.D. ОТ and DO currents in low ргеввиге combined dieoharge. TBM го, p. 160 - 163.

[8*] Лисовский В.А. Пробой газа низкого, давления в комбинированных полях. - Сборник научных работ аспирантов ХГУ, Еотоствзн-нне науки. Физико-математические наука, Хврьков: Основа, 1992, с. 144 - 148. .

[9*1 Лисовский В.А., Егоренков В.Д., Красников О.В. а - ц переход и НЧ неустойчивость ВЧ разряда низкого давления. - Письма в '

v

ЖГФ, 1993, Т.1Э, в.2<, 0.2-1.