Теоретическое исследование кинетики низкотемпературной плазмы в полях высокочастотного и оптического диапазонов частот тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

московский государственный университет им. м.н.Ломоносова * §

о? НАУЧНО-ИССЛЕДОВЛТЕПЬСКИИ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ПОПОВ Александр Михайлович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССВДОВАНИЕ КИШШК НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В ПОЛЯХ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ

01.04.08 - фпз'йка ¡т химия плззад

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученоЯ гтспзни доктора физико-математических наук

Мосжвэ, Г993

Работа выполнена в Нэучно-иссладовательском институте ядзрной фаршей МГУ ш М.Ь.Ломоносова

Офщиулыше оппонента: доктор физико-математических наук Цендш; Л.Д. (С-ГГГУ) ' доктор фаз*дсс-математичгеких наук стерозтйн а.н. (стинитм) доктор $иэико-математ1нески± наук Александров Н.л\ (&"ФТИ) Ведущая оргзнтаьция: Иасгатут проблем механики РАН

Запдато состоится " I^ " сЩЛ^^ 1993 г. в I ^ часов на заседании Сгшткэжзировгнного Совета № Д 053.06.СО б Московском государственном университета км. М.В.Ломоносова (Москва, ПЭ89Э, Ленинские горы, 10 корпус, НИЖФ ЬТУ, ьуд ?,-15).

С диг.гертгцией мокно ознакомиться в библиотеке Hlffli МГУ. Автореферат разослан l-t " 1933 г.

Ученый секретарь Спешалгоироэанного. Совета кгшудат физико-магематических наук /fi/fy-

В.В.Радченко

ощая характеристика работы

.Актуальность темы диссертации. Ясстода.ая работа лосвщЕка теоретическому изучению кинетических процессов в низкотемпературной плазма в г.зремен-яог эгактричэских к электроматчпг.тшх полях. Такая плазма характеризуется, как правило,' склькоЬ нерзишЕвсностью, что обуславливает к ней растулзт практический интерес.

Физика процессов в ЕерэБновесаой кпгкотемпаратуряой пеазме определяется больсжм числом ьсоьоомозных процессов, вюючапдих взеи-модейсгвие электронов о аэЯтральнюп атсыэмя к мо.<13ку.гами, болшэд числз плазмохимических реакций между нейтральными и заряженными частицами, а такие взримодейстьие ЭБрягеншк частиц друг с другом:« с внешними электромагнитными полями. В г.ространствеьяо неоднородна):' Полях, а тахте при достаточно низких давлениях могут оказаться такяэ' существенными дрейфовые я даЗЩузаонные потоки как заряженной так ;и. нейтрал!ной компонент плазмк разряда. Экспериментальное исследование кшкикки в низкотемпературной агазме является, как правило, крайне сложной зэдачей. Поэтому длл понимания физики различных процессов, прогеклщих в такса шгзме, осоЗую роль присоратгыт методы численного моделирования. Рэззипш и применении таких методов зля описаьил ряда процессов (претое всего кинетики плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда этакого давления, з тзкжа плазмы поддЕ-ржиьаеаоП эпекттемэг-шпшве полгали оптической частоты) посвящена данная работа-

Взхнейией характеристикой низкотемпературной плаамы являзтс« функция распределения электронов по энергиям (Ф?Э'., ■бпрвделяодэя

3

значения наиболее : аяннх глектроришх кинетических коэффициентов плазмы (подвижность, коэСМициент диффузии, а текли константы скоростей ионизации и возбуздения различных состояний этомоб или молекул). Исследований ФРЭ в низкотемпературной плазме посвящена в настоящее время обширная литература. Однако остается малоизученной проблема определения <5РЗ в пространственна неоднородных полях при достаточно низко?« давлении, когда существенным для определения энергетического спектра электронов является диффузионно-дрейфэюе движение электронов и ФРЭ является пространственно нелокальной. Такт пало исследован в настоящее время вопрос о ФРЭ в поле лазерного излучения видимого йли УФ диапазонов частот, когда процесс набора энергии электроном носит квантовый характер. Именно эти вопросы подробно рассматриваются в данной работе.

Существенно, отметить, "что при определения ФРЭ в полях видимого или УФ диапазонов частот наиболее вакным является т.н. процесс вынужденного тормозного поглощения, экспериментальные данные по которому практически отсутствуют. Поэтому в работе рассматривается ряд моделей атого эффекта, представляющие во, только прикладной ко и общефизический интерес.

Целью настоящей диссертации является теоретическое исследование кинр^ических проц&ссов в низкотемпературной плазме в электромагнитных полях различных частотные диапазонов, разработка и анализ различных подходов к решению кивзтаческого уравнения Больцманэ в случаях, когда ФРЗ является про с транс твзню-не локальней или процесс набора внергии электроном в поле электромагнитной вг щ носит квантовый характер, построение последовательных самосогласованных моделей

4

высокочастотного разряда в электроположительных и •электроотрицательных газах, исследование пробоя газов лазерным излучоннем У-Р дкапасс-на частот взаимодействия плазмы оптического пробоя с хорошо огрз-яэаазмя металлическими пoвepxнocтяwi: а /акжь исследование ¡элементарных процессов (вьпувденный тормозной эффект, млогок-знтовая $отоиони-зация атсмов) в пале интенсивного лазерного излучения.

Практическая ценность гтрозедешгых исследований связана правде всего с широким использованием БЧ разрядов клзкого давления в микроэлектронике. 34 разряды используют в настоящее время в таких операциях как окисление, травлепие, осавденкз пленок и др. При этом скорость процесса определяется прежде всего потоком каких-либо компот неат (заряженных или нейтральных) из глъема на поверхность обрабатываемой подложки. Понимание физики процессов в тг<ких системах мс'Взз позволить оптимизировать параметра разряда с точки зрения скорости процесса и качества создаваемых структур.

Актуальность исследования взатюдействия низко те гае р а ту рноь плазмы с лазерными полями связана прзядз всего с перспективой развития лазерной обработка материалов, исследованиями физики процессов в мощных газовых лазерах, проблемой транспортировки электромагнитной энергии на большие расстояния, коммутацией высоковольтных разрядников и т.п. Так, например, плазма оптического разряда, удеркщзаемая вблизи поверхности твердых тел, в ряде случаев может существенно увеличить долю энергии лазепього излучения, поглощаемую псверхнсс-тьв. Исследование динамики образования и эволюции такой плазмы необходимо для выбора оптимальных параметров лазерного импульса (шхен-сивность излучения, длительность, форма импульса, частота излучзния

я т.д.)

Значительный практический интерес предстаглялт также проведен-нке е работе исследования применимости различных выражений для сэче-ния вынужденного' тормозного эффзкта э тзкжз сопоставление различных подходов к расчету ФР5 в пространственно неоднородных полях и моделированию БЧ разряда низкого давлзнпя.

Основные защищаемое положения и нозиз.ча.

I. Разработан подход, основанный на численном, аь гпто, решении нестационарного уравнения Шредингера в поле электромагнитной волны, впервые позволивший единым образом рассмотреть Б динамике ряд процессов (ЗТЭ, фотоионинация, вынужденная ©эторскомбипация), закго-чаедихся в переходах между состояниями дискретного а непрерывного спектров квантовой системы.

?.. Впервые проведен анализ различных аналитических выражений для сечения однофотонного ВТЭ в лазерных полях видимого и УФ диапазонов частот и их сопоставление с результатами квантсзомехеническкх расчетов для ряда модельных потенциалов а также атомов аг и ке.

3. Впервые подробно проанализированы результаты решения квантового кинетического уравнения для электронов в поля/, видимого и УФ диапазонов частот. Исследованы влияние выбора различных выражений для "ечегая одно&отонного - ВТЭ, а такте учета е - о соударений, ударов и рода и двухфотонныт процессов нь вид ФРЗ в зависимости от частоты ч интенсивности электромагнитного поля. Проведен сравнительный анализ решений квантового и классического уравнений Больцмана в широком диапазоне интенсинностей и. частот излучег 1.

4. Построены численные самосогласованна модели нерезонансного

'3

и резонансного оптического пробоя в металлических пзрах, ссрээупиц-ся з результате испарения поверхности под действием излучения УЭ лазера. Зти ».гдели качественно объясняют большинство известных экспериментальных данных по нерезокэнскому и резонансному пробою вблизи металлических поверхностей.

5. Проведено исслздозпние применимости двучленного приближения для уравнения Бсльцмана в прсстрзнствегао неоднородных яостолмих, и переменных полях в атемг.рных и молекулярных газах для различных распре делений электрического шля в пространстве. Показано, что двучленное приблъкениа является справедливым гдмоть до значений р<1 » 1 ом-Тор (р -- давление газа, а - характерный размер неоднородности . поля).

6. На основе решения уравнения Больцмана в двучленном приблш}~ нии, ургвпвнлй зарядовой кинетики и уразнения полного тока вперта? построена са;иосогласовзкнгй модель ВЧ разряда низкого давления с учетом пространственной пелокальности энергетического спектра электроне в . Проведено сравнение с лрлближешем локального поля и с даЗДу-зионно Д1»йфовым приближением, учитыващич нелояльность спектра чореь значение элзктрс^шой температуры. Проанализировано влияние нелояльности спектра на пространственные распределения кинетических козМкЩкенгов плазмы. Показано, что ь инертных газах не локальность спектра существенна у;ке при значениях ра > ю см-Тор.

7. Впервые построена самосогласованная модель ВЧ разряда ннзю-го давления з кислороде с учетом более 100 ионно -молекулярных рб-акций ме.<сду 13 нейтральными и заряженными ношонжами плазмы разряда. Рассчитаны пространственные распределения и потоки нз алектрсци

рэзлптшх компонент /. кзмы.

8. Исследована динамика плазмообразовагшя вблизи металлических поверхностей под действием излучения сог-лазера. Показано, что для' каждого металла существует некоторая критическая интенсивность излучения, ниже которой оптический пробой происходит в нарах материала измени. образующихся после нагрева до температури кипения. Если та интенсивность излучения превышает критическую, щобой скачком перемешается на й*>нт импульса генерация и не связан с разогревом поверхности до температуры кипения.

9. Исследованы динамика и эвсляция плззмч в луче соа-лазера, созданной ноэаву.симым источником. Показано, что использование дополнительного лазера с энергией на даа-три порядка меньшей, чем энергия со2-лазера, дгет возможность в несколько раз увеличить эффективность воздействия на-лазера на хороло отражающие металлические поверхности в диапазоне интенсивноетей о.г - г МВт/см2 при длительности импульсов so - 5оо мкс. Построены теоретические модели инициирования импульсом излучения на-лазера и эволюции приповерхностной плазма в луче со2-лазера, позволявшие правильно описать дашзмику плазменного образования, его структуру и тепловоз воздействие на мишень. Ваявлепа роль различии механизмов передача энергии от ллрчмы пробоя к метал-лнчглкой поверхности и их езяэь с локальностью лазерного воздействия. •

10. Построены теоретические модели лааерно-юшциированиого фотохимического травления кремния е атмосфере хлора и лазерно-инициировакного пиролитического ооааденяя вольфр' а из газовой фазы ьа поверхность окиси кремния. Предлокэъ механизм пиролитического

3

осаждения металлической дороаки на поверхность окиси кремния лазор-. ным излучение« в ре&имз "волы металлизации".

АяроДастя работа.

Основной материал, излоаенный в диссертации, докладывался на ч, *i Всес. совещаниях по нерезопаР"иому взаимодейотвкю оптического излучения с веществом (Ленинград, 1981, Паланга, ISS4), vui, xt Европейских конференциях по зтомной и молекулярной физике ионизован--НЫХ газов (Greifsvald, 1986, St.Petersburg, 1JS2), Ч тематическом совещания по элементарным процессам в поле лазерного излучения (Ужгород, 1986), I, и Всес. совещаниях по высокочастотному разряду $ волновых полях (Горький, 1987, Куйбышев, I93S), xviri Международно!» конференции ПО явлениям В лонизоваш^х газах (Swansea, 1937) , IX Всес. конференции по кинетическим и газодинамическим процессам в неравновесии средах (Москва, IS88), Всесоюзном семинаре по высокочастотному пробою газов (Тарту, I9S9). х Всес. Симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 1989), i-xv Всес. совещаниях по физическим Г1роблемам микроэлектроники (Туапсе, 1989, 1990, 1991, 1992), iv Вес. совещании по матем. моделированию физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах (Ярославль, 1.990), yiii Всес. конференции по физике низкотемпературной плазмы (Кинск, I9SI), XXI Мезданародном вакуумном конгрессе (Гаага, I9S2) а также па семянарзх НШЯФ КГУ, ИОФАН, ИПМ.

Структура диссерта;дш.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации - 314 страниц, tOK рисунков, 4 таблицы, список литературы состоит из 24« наименований.

•J'

СО*ТРЖАЛИЕ РАБОТЫ

Ео введении дано обоснование темы диссертации, показана ее актуальность, сформулированы основные вопросы, рассмотренные в диссертации, кратко изложено еа содержание.

Норвая глава диссертации посвящена исследованию 'элементарных щюцессов в поле интенсивного электромагнитного излучения. В §1.1, 1.2 на осноро численного моделирования нестационарного уравнения Шредингера для электрона в пола электромагнитной волны построены одномерные модели фотоионизации атомов и вынужденного тормозного эффекта (ВТЭ). Построена детальная пространственно временная картина этих явлений как в случае преобладания одного тонных, так и многофо-тошых процессов. Рассмотрен переход от режима туннельной ионизации атомов излучением к многокаантовому фотоэффекту. Показано, что процесс надпороговой ионизации является промежуточным по отпоиешш к многобайтовому фотоэффекту и туннельной ионизации атомов излучением и несет в себе черты обоих механизмов, рассмотрен вынужденный тормозной эффект при "мгновенном" рассеянии электрона на атомном потенциале. Показэно. что при "мгновенном" столкновении его результат определяется фазой электрического поля волны в "момент" рассзяния. Рассмотрено явление вынужденной фэтерекокбкнэции, заключающейся в испускании квантов поля и переходе электрона из континуума в дискретный спектр. Проведено сравнение полученных данных с результатами известных аналитических теорий. В §1.3 оСсукдается возможность выражения амплитуда мнегофотонного ЗТЭ через амплитуду упругого рассеяния для электронов с энергией с * ш (г>и - энергия кв? га). Полученные з

10

§1.3 выражения используются для вычисления сечений однофлтошюгс поглощения (испускания) при упругом рассеянии электрона на ряд» модельных потенциалов и атомах не и. аг. Полученные данные сопоставляются с различными аналитическими представлениями для сечения одно-фотонного ВТЗ с целью установления областей их причзнтюсти.

Глава 2 посвят.ена исследовании кинетических процессов в низкотемпературной плазме в лазерных полях зидимого или УО диппазсноа часто?. В 52.1 получено уравнение для симметричной часта функции рас!феделения электронов (№3) с учетом процессов двугфотонкого поглощения (испускания) квантов поля. Показано, что рассмотретга двухфотонных процессов возможно лишь при учате в кинетическом уравнении членов, ■ содержащих несимметричную часть функции распределения. На примере расчета ФРЭ с учетом процессов даухфетонного поглощения (испускания) в азотной плазме показано, что эти процессы могут играть существенную роль даже в достаточно слабых полях, когда и* = с-суш «1 (с, с# - средняя и колебательная энергия энергия электрона). В 52.2 на примере расчета ФРЗ в не и лг анализируется влияние выбора того или иного выражения для сечения однофотолного ВТЭ на вид энергетического спектра. Поквззво, что в обшем случае ни. одно из известных аналитических выражений для сг да приводит к удовлетво-

О А Э

рительному согласии с расчетами, использусдаот результаты главы I. В §2.3 на примере расчета ФРЭ в пэрах алюминия прогндлизироЕшо влияние в-о соударений, ударов второго рода, частоты поля ролны на вид квантовой ФРЗ. Проведено сопоставление кеэктовой и клзссической Функций распределения. §2.4 посвящен исследованию оптического пробоя в плотных парах, образующихся при воздействии излучения УФ лгзвра ла

11

поверхность алшиняч. Определены пороги пробоя в зависимости от частоты излучения и плотности пара, выяснена роль возбужденных состояний атомов ах з процессе развития ¡электронной лавины. Результаты теоретического моделирования сраЕНИВЕЮтся с акспериментальныш данными по приповерхностному пробою в поле УФ лазеров. В §2.5 теоретически исследуется процесс резонансного приповерхностного оптического пробоя в парах на. На основе анализа кинетического уравнения Больц-мана с учетом резонансного вынужденного тормозного эффекга совместно с системой балансных уравнений для концентраций основных компонент плазма разряда построена модель резонансного приповерхностного пробоя, качественно объясняющая основные экспериментальные зависимости явлзкия. §2.6 посвящен исследованию влияния оптического излучения УФ диапазона частот на развитие пробоя в постоянном электрическом поле.

Третья глава диссертации посвящена анализу функции распределения электронов в пространсгзекно неоднородном постоянном или переменном электрическом пола ь случае, когда существенными оказываются эффекты пространственкой нэлокальности энергетического спектре. * 53.1 проведено сопоставление решений пространственно неоднородного уравнения Больцманэ в двучленном приближении и методом Монте Карло в атомарных и молекулярных газах в различных геометриях электрического поля. Рассмотрение проведено для случаев однородно распределенного по мзжэлектродному зазору постоянного электрического поля различной величины, поля катодного слоя тлешего разряда и поля высокочастотного разряда мегагерцевого диапазона частот. Показано, что в области рс) « х см-Тор (р - давление газа, а - характерны!" размер) кинетические характеристики, рассчитываемые этими методам, хорошо совпадают

12

ДР.).' с другом. В §3.2, 3.3 рассматривается влияние к локальности энергетического спектра электронов на развитие электронной лавины в цилиндрическом СВЧ резонаторе и в поле излучегшя еог лазерз. Проведено сопоставление распределений электронных кинетических коэффициентов пласмн, рассчитанных как с учетом так и без учета нелокальности ФРЭ. Вычислены пороги оптического и СВЧ пробой газов.

Глава 4 посвящена теоретическому моделированию процессов в ВЧ разряде низкого давления в электроположительных (на, дг) и электроотрицательных; газах (о2, нв:о2). В §4.1 обсувдагатся основные уравнения и граничные условия различных моделей ВЧ разряда: кинетической модели, основанной на репвнга пространственно неоднородного уравнения Больцмана в двучлешсм приближении и диффузионно дрейфового приближения (ДДП). В 54.2 на примере ВЧ разрядов в не и дг сопоставляются результаты моделирования в рамках кинетической мелели, приближения локального поля и ДДП, учитывающего нелокальность ФРЭ посредством решения уравнения для электронной температуры. Проведено сравнение расчетов с экспериментами по определению ФРЭ в плазме ВЧ разряда. Обсузкцается область применимости различных приближений. В §4.3 обсуждаются особенности электродинамических процессов в разряде в электроотрицательных газах (в смеси не:о2). §4.4 посвящен изучению модели ВЧ разряда в кислороде, учитывающей порядка 100 конно-молекулярных реакций между 13 компонентами разрядной плазмы. Внявле-* на основные компоненты плазмы разряда, получены их пространственные распргдол^ния. Показано, что нейтрльныз компоненты (прение всого о2 (о1 д;, оа(ь'х), о(3р)) оказывают существенное влияние на величину к распределение электрического шля в столбе и щяге :ектродных облас-

13

Ъ'ях разряда а также, на пространственные распределения заряженных,, частиц. Определены потоки на электроды осноеных заряженных и нейтральных к^шонент разрядной плазмы.

Глав.. Б посвящена теоретическому и экспериментальному изучению плазмы пробоя, зажигаемой лазерным излучением у поверхности т&зрдого тела с целью увеличения энерговклзда лазерной энергии в ьыкакь. в §5.1 исследуются пороги олазмссбразовзния вблизи металлических поверхностей излучением соа лзззра длительном в от ю до юоо икс. Показано, что при небольших интенсивностях пробой развивается в парах материала мишени, образующихся после нагрева поверхности до температуры кипения. Яри интенсивяостах аздучения вшзе некоторой критической р" (различной для различных магариалов) пробой скачком перемещаете' .на фро. импульсе генерации и не связан с однородным нрогре ом поверхности до температуры кипения. Поэтому для как мозго Солее оыстрого создания плазмы пробоя у поверхности интенсивность излучения должна превышать. величину р*. В §Ь.2- изучается дип&микэ плазменного образования, созданного независимым источником (коротким .■импульсом излучения ка лазера высокой интенсивности), в луче со2 лазера. Определены оптимальные для создания и поддержания плазмы лрэбоя в режиме медленного горения параметры импульсов сог и ма лазеров. Результаты, порченные в §5.1, 5.2 позволяют выбрать оптимальные параметры лазерных источников для исследований эффективности л&зерйого воздействия на металлы, выполненных ь §5.3. Исследования, проведенные в этом параграфе, позволят1 определить эффективность лазерного воздействия на хорошо отражающие металлические поверхности, степень его локальности и определить роль различных механизмов

14

(газовая теплопроводность, радиационный перенсо тепла) а распределении энергозклэдэ в мишень.

В главе 6 рассматриваются лазерно-стиыуллровазшые процессы в иикротехнололта. В §6.1 пострсзна теоретическая модель фотохпмичес-кого травления гремния лазерным излучением б атмосфере с1а, рассмат-риврщая процесс травления как взаимодействие да;-;: подсистем -- рэли-калоэ хлора в газовой фазе и фотоэлектронов в кремнии. На основе анализа зкспэримзнтзльных данных получена вероятность взаимодействия радикалов хлора с поверхностью кремния для различных длин волн и иятенсиваостей лазерного излучения а также давления окружающей среды. Получены профили вытравливаемых структур. Исследуется воз1ло*-ность создания структур микронных размеров при фотохимическом травлении. В §6.2 предлагается теоретическая модель пиролитического осавдекин вольфрама из гексакарбонила вольфрама на поверхность окиси кремния под действием излучения Аг-лазера в режиме "прямого рисования". Показано, что, хотя окись кремния не поглощает излучение в видимом диапазоне частот, нагрев подложки до температур, достаточных для пиролитического разложения и(со>£ на поверхности зю2, возможен за счет ее теплопроводностного прогрева в результате выделения энергии в уже существующем слое металлизации ("волка металлизации"). ПроЕедены численные расчеты осаждения вольфрама в режиме "волны металлизации", определены предельные скорости "прямого рисования" лазерным излучением металлических дорояек на поверхности окиси кремния.

. 2 заключении приведены основные выводы и результаты работа.

I. Разработан единый подход, основанный на -»деленном, аь

15

гло, решении одномерноного честециснарного уравнения Шредингэрэ е поле ¡электромагнитной волны, позволивший впервые рассмотреть во взаимг й связи ряд процессов (ВТЭ, фотоиокиззцня, вынувденная фоторекомбинация), эеключзхщился б переходах между состояниями ноирерыв-кого и (или) дискретного спекпюв квантозой системы.

2.Вне рамок борцовского приближения по рассоиваэдему потенциалу получено шражение связывавшее амплитуда многофотоиного вынужденного тормозного эффекта в слабых лазерных полях видимого и УФ диапазонов частот к упругого рассеяния вне энергетической поверхности. Проанализировала возможность, использования различных аналитических выражений для сечения тормозного поглсщгния при различных характерах зависимости сечения упругого, рассеяния от энергии. Проведены расчеты сечения о^офотояного ВТЭ на атомах не и аг в поле УФ излучения.

3. Впервые подробно проанализировано решение квантового уравнения Еолыдмана для электронов з слвОоиокизоввнной плазмэ, Исследованы влияние выбора различных выражений для сеченая' одкофотонного ВТЭ, а также учета е - е соударений, ударов и рода и двухчленных процессов на вид ФРЭ б зависимости от частоты и интенсивности электромагнитного поля. Проведен сравнительный анализ решений квантового в классического уравнений Больцмаиа в широком диапазоне интексивностей и частот излучения.

4. На основе совместного решения квангоЕсго уравнения Больцмана дня ФРЭ в алшиниевом паре и системы балансных уравнений для шнцен-траияй электронов к различных возбужденных состояний атомов а1 построена последовательная самосогласованная модель оптического пробоя б плотном алюминиевом паре, образующемся в результате интенсивного

10

иснаршшя поверхности пол двйетьием излучения 'ГФ лазер^. Предложенная модель позволяет качественно объяснить большинство экспериментальны/ данных' по оптическому пробои излучением У1 лвзерои вблизи элши&нбвой поверхности.

5. На основе решения уравнения Больцмана, учитывающего аффект резонансного ВТЗ, построена последовательная 'пдель резонансного приповерхностного оптического пробоя в нарах ¡'а, позволяющая качественно объяснить экспериментально наблюдаемые пороги оптического пробоя и их зависимость от отстройки частоты лазера от резонанса о частотой перехода атомной системы

6. Проведено исследование применимости двучленного приближения для уравнения Больцмана з прстранственно неоднородных постоянных и переменных полях в атомарных и молекулярных газах для различных распределений электрического поля в пространстве.

7. На основе ресшия уравнения Больцмана в двучленной приблике-,. нии, уравнений зарядовой кинетики и уравнения полного тока впервые построзна самосогласованная модель ВЧ разряда низкого давления с учетом пространственно:!: нелокальное^ энергетического спектра электронов. Проведено сравнение с приближением локального поля я с диффу-зиопно-дрейфозым прлбликением, учитывающим нелояльность спектра через значение электронной температуры. Проанализировано влияние нелокальное™ спектра нз пространственные распределения кинетических 1соэ№ииен"ов плазмы. Показано, что в инертных газах не локальность спектра существенна уже при значениях рЛ * ю см-Тор.

Впервые построена самосогласованная модель вч разряда низкого давления в кислородо с учетом более 100 ионно- олекулярных реак-

17

ций мевду 13 нейтральными и заряженнккш компонентами плазмы разряда Рассчитаны пространственные распределения и потоки на злэхтроды разл!Г ых компонент плазмы.

9. ¿[роьедены исследования процесса плззмообразования зблкз: металлических поверхностей под действием излучения со,-лазера < энергией до юо з импульсе длятэльностью ю - юоо икс. Показано что для каждого.материала существует критическая интенсивность калу-челия р*, разделяющая различные механизмы . »азмообразования. При !" р* пробой происходит в парах .материала мшшни, образующихся в резу-льтаге развитого испарения поверхности при ед нагреве до температур кипения. При р > р" пробой происходив нь |Дюнте импульоа генерации ] не связан с разогревом поверхности до текшратуры юшенкя.

10. юведеш исследования динамики щялюверхвостаой плазш 1 луче сог-лазерп, созданной импульсом излучения яа-лазера длитэль-костью з.5 но с энергией о.ог - о.2 Дж. Показано, что пороговая интенсивность поддержашгя плазмы в луче соцлагере убывает с увеличение! анергии импульса нл-лэзера и при о » о.об Дж выходит на стационарны! уровень « гоо кВт/см2, независящий от энергии на-лазера. Построен! теоретическая модель эволюция плазменного образования созданной на-лазерсм, находящаяся в согласии с результатами экспериментальны; исследований.

11. Проведены исследования эффективности теплового воздействуй ишульса соо-лазера длительностью ьо - 500 мкс на хорошо отръжавдш мотал-таческие мишени в условиях принудительного поджигания приповерхностной плазмы независимым источником. Показано, что использование дополнительного лазера с энергией на два-три порядка меньшей, чe^

18

энергия со^-лазера, дает еозможссть в несколько раз увеличить эффе-шгвгостъ воздействия на-.цаззра на хорошо отражающие металлические' говархпости в диапазоне иятенсивностей 0.2 - г йВт/см2. Поведены ¡гсследовашш локальности лазерного воздействия, показанию, что »50% юглощеЕной энергии вкладывеется в пределах пятна облучения. Построила теоретическая модель динамики г.риповерхноств ~Vi плазмы пробоя, в луч-з сог-лазера, позьоливгая описать экспериментальные дгкныэ по ".ростраястьппнсй структуре резряда и ее тепловоз воздействия' на шпень. Бняснзна роль теплопроводесгного и радиационного механизмов вклада в мишень в пятне облучения и за его пределами. Сделан вывод о зущественности сесоодяого переноса коротково^говых (\ * ш км) кантов вдоль оси разряда к поверхности мишени.

12. Построена численная самосогласованная модель лазерно- инициированного фотохимического травтения кремния в атмосфере- хлора, эснованяая на рассмотрении двух подсистем: травящих радикалов с) в газовой фазе и фотоэлектронов в кремнии. На основе енализэ. экспериментальных данных получена вероятность взаимодействия радикалов «лора с поверхностью кремния, позволяющая описать процесс фотохм.ж-йсксго травления для лазерного излучзнкя с различными интенсивнос-гями и длинами волн при различных давлениях средн.

13. Предложен механизм пиролитического осеждекия металлической юрожки на поверхность окиси кремния лазерным излучением, заключающийся в теглопооводностном прогреве подложи и последующим осаждеки-;м на F"6 металлического слоя в результате поглощения энергии лазерного получения в ухе существующем слое металлизации ("волна матзллк-)ации"). На оскоев предложенного ме/акизма построе. з численная сачо-

19

согласованная модель ''волны металлизации-. позволяющая качественно

описать извостяне экспериментальные фскты по осавдзнид металлических

дорожег яри пиролизе w<co)t.

Основные результата, полученные б диссертации, опубликованы в ' работах:

Ii Попов А.Ы. Црсбой газов вблизи металличоских поверхностей под действием лазэрного излучения ультр^ фиолетового диапазона. ИФ, 1962, Т. 52, C.21C5-210G

2: Ковалев A.C., Полоз A.M., Рахимов А.Т. и др. Пробой газа у металлической поверхности импульсом СО, лазера длительностью ю-1000 икс. Квантовая электроника, ises, т.12, c.7i3-7ie.

3. Блябли... A.A., Ковалев A.C., Попон A.M., Селезнев Р.В. Об эффективности комбинированного воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность. ОТО, 1985, т.55, 0.1650-1652. . ■ 4. Попов A.M., Поповичева О.Б., Рахимова Т.В. 'Функция распределения электронов при оптическом пробое в плотном металлическом паре. Физика плазмы, 19вь.. т.н. з.1Ь52-1Е5б

5. Попов A.M., Попозичова О Б., Рахимова Т.В. Функция распределения электронов по энергиям е высокочастотных полях. Представлено НИИЯФ «пГУ: депонент ВИНИТИ н escj-ßs, 1965.

6. Ковалев A.C., Попов A.M., Селезнев Б.В., Феоктистов В.А. Динамика приповерхностной плазмы, создаваемой независимым источником, .э поле лазерного излучения. Физика плазмы, 1986, т. 12, с.1120-1126.

7. Полое A.M., Поповичева О.Б., Рахимова Т.В. Теоретическое иссле-

20

довагае оптического пробок паров металлов "азерным лзлученяам с . больпшмп квантами. Физика плазмы, 1эвз, т.14, с.373-377.

3. Pomerantsev V.N., Popov А.К., Popovicheva С.В., ¿akhinova T.V., Hornciik J. Potential scattering of в 1 ow electrons in a weak electromagnetic field. 7. Phve. В., 19P8, v.21, p.2889-2099.

9. Попов Л Л., Подовичевг О.Б., Рахимова Т.В. КЕ.чйовая функция распределения электронев по гпергиям в слабоиснизовашгой плазме в лазерЕОМ поле видимого и ультрафиолетового диапазонов частот. Препринт НИШ) ИГУ, и 52/73-88.

10. Померанцев В.Н., Попов A.M., Половичева О.Б., Рзхииоза Т.В.. Потенциальное рассеяние медленных злектроноз з поло лазерного ИЗЛучеНИЯ. ФИ-ЗИКа ПЛаЗМЫ, 1989, Т.15, С.69-76.

11. Попов A.M., Поповичева О.Б., Рахимова Т.В. Влияние излучения оптического диапазона частот на развитие щюЗоя в постоянном электрическом поле. ТВТ, гэвэ, т.27, с.178-179.

12. Померанцев й.Н., Попое A.M., Поповичова О.Б., Рахимова Т.Б.' Вынужденны?: тормозной э<2фект нэ атомах инертных газов. Физика . плазмы, 190Э, т.15. с.326-329.

13. Бляблкн А.А., Ковалев А.С.. Попов A.M.' и др. Воздействие ла мкшень излучения сог лазера в усовиях образования плазмы дополнительным лазером. Квантовая электроника, 1989, т.16, с.523-530

14. Попов A.M., Поповкчева О.Б., Рахимова у.в., Феоктистов В.А. Численное моделирование пробен гэсое лазерным иэлученизм. Фчзи-к) хлэзмы, 19й9, т.16, U.1393--I40I*

15. Во.'тева Е.А., Ковалев А.С., Попов A.M., Селезнев Б.В. 0 механизме переноса энергии от плазмы сппггескогэ прсооя г. металлпес--

21

кой поверхности. Квангс^зя э.чёктронкка, IP90, т.17, о.351-254.

IS Лопое A.M., Поповичзеэ О.Б., гехкмоьа Т.Е., Феоктистов В.А. Э^зкты нелокальнооти энергетического спектра электронов з пространственно неоднородно« СВЧ доле. КГФ, 1У9С, т.60, КЭ.с.Ш-Ш

IV. Волкова Е.А., Попов Р.М., Попсчзкчеьа О.Б. н др. Нодглтфовапич высокочастотного разряде с учетоы пространствекно временной неокалйнссти энергетического спекла электронов. Физика асазми. ¿991, Т.17, С."8.1-483

IB. Feoktistov \'.h., Popov A.M., popovlchnva 0.3. ot.al. RF diacliar-ga modeling considorlna tine depandance апв spatla] nonlocality of i3octron energy sp-actrum. ТЕПЕ Тгапз. ?l. Sci., 1991, v.13, p.163-169.

19. Волкоьи'Е.А., Ковалеь А.П., Попев A.M. Теоретичгское моделщлве-iroe лазернс-иницЕиревйянсш оеаадгьил' метнлличзских пленок из гачоьой фазы на поверхности sio^. Поверхность, 1591 с.116-120

20. Волкова 2.А. ? Ковалев А.С,, Попов A.M. и др. Моделирование лазе-рно-стимулярованных процессов травления и осаждения в микротехнологии. Препринт.ПИИЯФ МГУ * 9I-.'10/234, 1991.

21. Волкова Е.А., Попов A.M., Поцовачева О.Б. у др. Влияние нелокальности энергетического спектра sjieKvpoHob ка кинетику ВЧ разряда в электроотрицательных газах. ФНП-8, Иинск, 1991, часть 2, г.47-48.

22. Волкова Е.А., Попов A.M., Поповичево О.Б., Рахимова Т.В. Со техническое травление кремния непрерывным лазерным излучением. Поверхность, 139?., Щ, с.70-7?.

23. Попов A.M.,.Поповичаьа О.Б., Рахимова Т.В. Моделирование розо-

22