Введение к работе
Актуальность проблемы. Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальном;' исследованию высокочастотных разрядов и ах приложений в плазменной технологии и лазерной технике. Хотя первые эксперименты с высокочастотными разрядами были проведены еще в XIX веке, широкий интерес к ким стал проявляться в семидесятых годах двадцатого столетия. Это было связано, в первую очередь, с попытками использовать емкостной высокочастотный разряд для накачки газовых лазеров. Высокочастотный разряд по сравнению с разрядом постоянного тока обладает рядом преимуществ, связанных с отсутствием необходимости помещать металлические электроды вігутрь разрядной камеры и возможностью использовать диэлектрические стенки камеры в качестве распределенного балластного сопротивления. Однако, уже первые эксперименты показали, чтб перспективы использования высокочастотных разрядов определяются решением ряда физических и технических проблем, в первую очередь относящихся к приэлектродпым слоям. Как показали эксперименты, в приэлектродных слоях сосредоточено основное падение напряжения, что приводит к дополнительному тепловыделению и ионной бомбардировке электродов. От свойств слоев зависит режим горения разряда, распределение энерговклада по сечению разрядном промежутка и по степеням свободы газа.
Другим важным при.лененнем высокочастотных разрядов является плазменная технология травления и нанесения пленок в микроэлектронике. В плазме происходит диссоциация молекул исходного газа с образованием атомов или радикалов, активно взаимодействующих с поверхностью твердого тела. Взаимодействие радикалов с поверхностью иочложмі
4 происходит в присутствии ионной бомбардировки, которая оказывает
существенное ачняние на характеристики процесса и свойства пленки. В
частности, ионная бомбардировка приводит к тому, что травлепие в плазме
высокочастотного разряда, в отличие от химическою, является
анизотропным и позволяет получать структуры, глубина (высота) которых
значительно превышает ширину. Это является исключительно важным для
создания микросхем с высокой степенью интеграции. Кроме того, ионная
бомбардировка может приводить к образованию или, наоборот, отжигу
дефектов в полупроводнике. Очевидно, что процесс травления или
нанесения пленок,-а также их свойства существенно зависят от свойств
плазмы и приэлектродных слоев. Следовательно, оптимизация
существующих технологичесхих процессов и разработка новых невозможна
6ej глубокого понимания физических процессов в высокочастотном разряде.
К моменту начала данной работы (1981 г.) отсутствовала физическая картина процессов в приэлектродных слоях, позволяющая рассчитывать их параметры и предсказывать эффективность применений высокочастотного разряда. В этой связи представляется актуальным теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в плазме и приэлектродных глоях высокочастотного разряда.
Целью. . настоящей работа является теоретическое и
экспериментальное исследование физических процессов в плазме и приэлектродных слоях высокочастотного разряда, разработка простых анааитических моделей, позволяющих качественно описать параметры высокочастотного разряда при низком и высоком давлении, а также пропощггь численное моделирование разряда с малыми затратами м.імішіноіо времени; экспериментальная проверка основных положений и
5 5ыводов из теоретического рассмотрения; разработка методов диагностики
шсокочастотного разряда; проведение исследований плазмы и
ірнзлектродньїх слоев высокочастотного разряда, используемого для
икачки газовых СОг лазеров и в технологических процессах, и выработка
рекомендаций по оптимизации этих устройств и процессов.
Практическая ценность, проведенных исследований определяется ірежде всего широким использованием высокочастотных разрядов для іакачки газовых лазеров и в микроэлектронной технологии. В результате проведенных исследований создана простая модель, позволяющая описать зриэлектродные слон высокочастотного разряда низкого и высокого ивления и рассчитывать их параметры применительно к конкретным устройствам. Разработаны пути оптимизации газовых лазеров, выработаны сритерии для выбора частоты накачки, конструкции электродных систем и :хем согласования для СОг лазеров. В результате работы были выработаны гребования к транзисторным источникам высокочастотной мощности для іакачки волноводных лазеров и разработаны источники, работающие в >азличных частотных диапазонах. По результатам, связанным с работой, толучено 12 авторских свидетельств на различные элементы конструкции іазеров. В результате проведенных исследований были определены шмитируюшие процессы при травлении полупроводниковых соединений V'"bv в хлорсодержащих смесях, что позволило оптимизировать процесс гравления и получить высококачественные образцы лазерных диодов.
Научная новизна.
1. Впервые предложено для описания приэлектродных слоев (ысокочастотного разряда использовать усредненное по времен» уравнение [вижения ионов. В результате разработана мрікч-ая оиосии ур;тмс>пп'',
позволяющая качественно оценизать параметры плазмы н приэлектродных слоев высокочастотного разряда высокого и среднего давления и производить численное моделирование с малыми затратами машинного времени.
2. Впервые с помощью наблюдения свечения плазмы с
пространственным и временным разрешением экспериментально показано,
что различие между а- и у- разрядами определяется механизмом ионизации
в приэлектродных слоях.
-
Разработаны методы СВЧ диагностики плазмы высокочастотного разряда в лазерных и технологических системах. Проведенные измерения электронной концентрации показали, что концентрация отрицательных ионов может более чем на порядок превышать концентрацию электронов н доля ионной проводимости может достигать десятков процентов.
-
Впервые показано, что малая добчвка электроотрицательного газа приводит к резкому (на порядок) падению электронной концентрации в положительном столбе плазмы ВЧ разряда низкого давления, в то время как электрические характеристики разряда практически не меняются.
5. Проведены измерения фазы коэффициента отражения
высокочастотной мощности от волноводнего лазера с ВЧ возбуждением.
Показано, что фаза является наиболее чувствительным параметром при
изучении опто-гальванического эффекта.
6. Проведены исследования энергетических спектров быстрых у-
электронов в высокочастотном разряде. Впервые определены значения
коэффициента вторичной электронной эмиссии в условиях разряда.
На.зашwvзыншдтся,сде^шшде_х>сыцвцые положения:
1. Свойства приэлектродных слоев высокочастотною разряда с
высокой точностью описываются усредненными по быстрым электронным движениям уравнениями.
-
Различие между а- и у- разрядом определяется механизмом ионизации в слое. В а-разряде ионизация осуществляется плазменными электронами в плазменной фазе, а в у-разряде электронами, эммитированными из электрода в фазе пространственного заряда.
-
В высокочастотном разряде низкого давления нагрев электронов происходит в приэлектродных слоях, поэтому концентрация ионов в слое возрастает пропорционально плотности тока, в то время как концентрация в положительном столбе возрастает пропорционально j", где n = 1.5 -г- 2.
4. Высокочастотный емкостной разряд в потоке газа между
электродами, покрытыми диэлектриком, обладает повышенной
устойчивостью к шнурованию, по сравнению с разрядом постоянного тока, и
является перспективным методом накачки мощных газовых лазеров.
-
Дополнительный нагрев за счет ионного тока в приэлектродных слоях, а также отсутствие конвективного охлаждения приводят к перегреву газа у поверхности электродов. Нагрев газа в ядре потока и распределение коэффициента усиления хорошо описывается в рамках кинетической модели разряда с коэффициентами, усредненными по периоду электрического поля.
-
В разряде в потоке воздуха при малых плотностях тока (~3+4 мкА/см2) электронная концентрация на два порядка меньше ионной, а ионная проводимость составляет дог^0% от полной. С ростом тока доля ионной проводимости уменьшается, а электронная копнем грация приближается к ионной и при j~7 мкЛ/см2 они сравниваются. И :i;in.'pi'M\
смесях ионная проводимость несущественна во всем исследованном диапазоне условий. Измеренные значения алектрического поля в высокочастотном разряде больше, чем в разряде постоянного тока в сходных условиях, но меньше, чем следует из равенства коэффициентов ионизации и прилипания. Из сравнения результатов измерения с численным моделированием следует, что в отличие от разряда постоянного тока в потоке газа в высокочастотном разряде выполняется локальный баланс числа частиц, в котором существенную роль играет отлипание.
-
Из-за больших потерь мощности в приэлектродных слоях на частотах до 10 МГц может использоваться только продольная накачка. Поперечная накачка становится эффективной при частотах больше 80 МГц. С точки зрения накачки лазера безразлично, какой режим разряда: а- или у-осуществляется в конкретных условиях, важна лишь величина плотности тока, а также частота и давление, которые определяют потери в слоях.
-
Малая (до 10%) добавка электроотрицательного газа (хлора) приводит к резкому (на порядок) падению концентрации электронов в положительном столбе из-за прилипания и образования отрицательных ионов, в то время как концентрация в приэлектродных слоях и, соответственно, электрические характеристики разряда меняются незначительно.
9. Энергетический спектр ионов определяется ускорением в среднем
поле у электрода. Спектр электроног состоит из плазменных тепловых
электронов и у-электронов, ускорившихся в слое у противоположного
электрода. Энергия у-электронов у заземленного электрода близка к
удггч иному шачению амплитуды приложенного к электродам напряжения.
9 Апробапня работы. Материалы, изложенные в диссертации,
докладывались на VI Всесоюзной конференции по физике
низкотемпературной плазмы, Ленинград 1983, VII Всесоюзної! конференции
по физике низкотемпературной плазмы, Ташкент J 987, VIII Всесоюзной
конференции "Физика низкотемпературной плазмы", Минск 1991, IV
Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Махачкала 1988, V
Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Омск 1990, XVN
Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, Будапешт
1985, XIX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах,
Белград 1989, XXI Международной конференции по явленням в
ионизованных газах, Бохум 1993, II отраслевой научно-технической
конференции "Лазерная техника и оптоэлектроника", Рязань, октябрь 1986,
V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград 1986, VI
Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград 1990, Ш
Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и
электронных потоков с веществом", Москва 1989, Всесоюзном семинаре по
высокочастотному пробою газов, Тарту 1989, XI Всесоюзной конференции
"Генераторы низкотемпературной плазмы", Новосибирск 1989, X
Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва
1991, Международной конференции по микролитографии, Рим, 1991,
ESCAMPIG 2, Санкт-Петербург, 1992, конференции "Физика и техника
Плазмы", Минск 1994, а также на семинарах в ФТИ им.А.Ф.Иоффе,
ИОФАН, НИИЭФА имД.В.Ефремова, ГОИ им. С.И.Вавилова, институте
проблем механики РАН, НИИЯФ МГУ.
Структура диссертации.
Похожие диссертации на Высокочастотный разряд и его приложения в плазменной технологии и лазерной технике
