Анотація до роботи:

Лісовський В.О. Газовий розряд низького тиску в комбінованих електричних полях. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 – фізика плазми. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, 2008.

Дисертацію присвячено дослідженню запалювання, згасання та режимів горіння високочастотного, комбінованого та двочастотного газових розрядів низького тиску. Встановлено закон подібності для ВЧ пробою газу U_rf = y(pL, L/R, fL). Запропоновано новий метод визначення дрейфової швидкості електронів з виміряних ВЧ кривих запалювання. Виміряні значення дрейфової швидкості електронів в аргоні, азоті, кисні, водні, аміаку, повітрі, SF₆, CF₄, N₂O, SiH₄ у діапазоні сильного електричного поля E/p » 70 - 1600 В/(см Торр). Знайдено, що область існування слабкострумового a-режиму обмежена як з боку високого, так і з боку низького тиску газу. У разі високого тиску газу a-g перехід супроводжується пробоєм приелектродних шарів, а за низького тиску під час a-g переходу пробій шарів не виникає, але шари стають джерелом швидких електронів. У SF₆, NF₃ та SiH₄ ВЧ розряд може існувати у трьох різних модах: слабкострумовій a-моді, сильнострумовій g-моді та дисоціативній d-моді. Можуть спостерігатися три моди двочастотного ВЧ (27,12 МГц)/ НЧ (2 МГц) розряду: 1) несамостійний ВЧ розряд, збурений НЧ електричним полем; 2) комбінований розряд; 3) несамостійний НЧ розряд, збурений ВЧ електричним полем.

У дисертації встановлено закономірності високочастотного, комбінованого та двочастотного газових розрядів низького тиску. Вирішено низку задач щодо запалювання, згасання та режимів горіння цих розрядів у камерах різної геометрії, різних газах та частотах ВЧ електричного поля.

У дисертації здобуто експериментальні криві запалювання ВЧ розряду у кількох газах у широкому діапазоні тиску газу та відстаней між електродами. Встановлено природу різних гілок кривих запалювання ВЧ розряду та процесів народження та втрат заряджених частинок, що беруть участь у запалюванні розряду. Запропоновано методологію дослідження кривих запалювання ВЧ розряду, яка полягає в їх сепарації на три гілки і встановлено особливості цих залежностей для кожної гілки.

Встановлено, що у мінімумі дифузійно-дрейфової гілки ВЧ кривої запалювання циклічна частота приблизно дорівнює частоті втрат енергії електронами при зіткненнях з молекулами газу w » n_u.

Розроблено гідродинамічну модель ВЧ пробою газу (модель балансу електронів), яка дозволяє передбачати ВЧ криву запалювання у розрядній камері довільної геометрії, результати якої добре узгоджуються з експериментальними даними.

Теоретично знайдено критерій пробою газу в поздовжньому комбінованому (ВЧ + сталому) електричному полі, що враховує анізотропію дифузії електронів у електричному полі.

Знайдено критерій пробою газу у надвисокочастотному полі, що враховує анізотропію дифузії електронів у електричному полі. Було розглянуто випадки запалювання НВЧ розряду у разі відсутності прилипання електронів до молекул газу, в електронегативному газі, а також запалювання поздовжнього комбінованого розряду (НВЧ + слабке стале електричні поля).

За допомогою аналізу рівняння ВЧ пробою газу встановлено, що дві ВЧ криві запалювання, які виміряні при різних зазорах L між електродами та частотах f ВЧ електричного поля та побудовані на графіку U_rf (pL), співпадуть тільки у тому випадку, якщо добуток частоти та зазору для них f L = const. Закон подібності для ВЧ пробою газу має вигляд U_rf = y(pL, L/R, fL) й добре підтверджується результатами експериментів. При цьому спостерігається збіг не лише дифузійно-дрейфових гілок ВЧ кривих запалювання, але й пашенівських гілок.

Із аналізу рівняння ВЧ пробою газу знайдено координати таких особливих точок ВЧ кривої запалювання, як мінімум та точка повороту, а також співвідношення між координатами цих точок та дрейфовою швидкістю електронів у газі. Запропоновано новий метод визначення дрейфової швидкості електронів із виміряних ВЧ кривих запалювання. За допомогою цього методу можна з однієї експериментальної ВЧ кривої запалювання визначити 1 - 2 значення дрейфової швидкості електронів при різних значеннях зведеного електричного поля E/p. Цей метод можна використовувати у діапазоні сильного електричного поля, коли вимірювання дрейфової швидкості електронів загальноприйнятими методами стає утрудненим через запалювання у дослідницькій камері самостійного розряду.

За допомогою запропонованого методу визначені величини дрейфової швидкості електронів у таких газах, як аргон, азот, кисень, водень, аміак, повітря, SF₆, CF₄, N₂O, SiH₄ у діапазоні сильного електричного поля E/p » 70 - 1600 В/(см Торр). Для кількох газів такі вимірювання зроблено вперше.

Запропоновано новий метод оцінки величини ВЧ напруги на потенціальному електроді, коли безпосередні вимірювання утруднені. Цей метод базується на вимірюванні кривої запалювання ВЧ ємнісного розряду низького тиску з використанням відомих значень дрейфової швидкості електронів у газі. Знайдені таким чином значення ВЧ напруги добре узгоджуються з результатами прямих вимірювань.

Вивчено характеристики слабкострумового a- та сильнострумового g-режимів горіння розряду в різних газах. Встановлено, що область існування слабкострумового a-режиму обмежена не лише з боку високого, але й з боку низького тиску газу. Знайдено, що у разі високого тиску газу a-g перехід супроводжується пробоєм приелектродних шарів, а у разі низького тиску під час a-g переходу пробій шарів не відбувається, але шари стають джерелом швидких електронів. Досліджено вплив геометрії розрядної камери та частоти на режими горіння та a-g перехід. Збільшення частоти призводить до зменшення ВЧ напруги a-g переходу. У асиметричних камерах a-g перехід відбувається при меншій ВЧ напрузі, ніж у симетричній системі з пласкими паралельними електродами. Також розроблена проста аналітична модель, яка адекватно описує поведінку електричних полів у квазінейтральній плазмі та у приелектродних шарах у ВЧ розряді із зіткненнями. Вираховані значення електричного поля у ВЧ розряді задовільно узгоджуються з розрахунками інших авторів та з результатами наших експериментів.

Експериментально за допомогою термопар отримано осьові профілі температури нейтрального газу у ВЧ розряді низького тиску в низці газів. Встановлено, що у деякому діапазоні тиску газу спостерігається немонотонна поведінка температури газу: a-g перехід супроводжується зменшенням температури нейтрального газу в усьому розрядному проміжку, у той час як у a- та g-режимах збільшення ВЧ напруги призводить до зростання температури газу.

Експериментально досліджено ВЧ ємнісний розряд низького тиску у NF₃, SiH₄ та SF₆, виміряні вольт-амперні характеристики, мас-спектри газу, що виходить з розряду, зондовим методом визначені внутрішні параметри плазми (температура електронів, потенціал плазми, функції розподілу електронів), а також виміряна інтенсивність оптичного випромінювання розряду для деяких довжин хвиль. Встановлено, що ВЧ розряд у SF₆, NF₃ та SiH₄ може існувати у трьох різних модах: слабкострумовій a-моді, сильнострумовій g-моді та дисоціативній d-моді. Дисоціативна d-мода характеризується високим ступенем дисоціації молекул SF₆ (до 35 %), NF₃ (практично до 100 %) та SiH₄ (до 70 %), високими температурою електронів, густиною плазми та активним струмом розряду. Дисоціативний режим з’являється, починаючи з деякої порогової ВЧ напруги, коли у ВЧ розряді наявна достатня кількість електронів високої енергії, які здатні при зіткненнях із молекулами призвести до їх дисоціації. При цьому потенціали іонізації радикалів, що виникли, помітно менші потенціалу іонізації початкових молекул, тому ці радикали відіграють роль домішки, яка легко іонізується.

У дисертаційній роботі наведено також виміряні криві згасання та криві запалювання ВЧ ємнісного розряду низького тиску у водні, азоті, аргоні, гелії та N₂O. Встановлено, що профіль кривих згасання є схожим на профіль кривих запалювання, виміряних для того ж газу та величини зазору. Криві згасання для вузьких зазорів можуть мати два мінімуми, які відповідають мінімумам пашенівської та дифузійно-дрейфової гілок кривих запалювання. Для великих зазорів L > 1 см на кривих згасання у разі низького тиску може спостерігатися область неоднозначності. Причиною її існування може бути збільшення товщини приелектродного шару із зростанням ВЧ напруги у разі достатньо низького тиску газу. Коли шари перекриваються, ВЧ розряд стає нестійким та згасає. Результати чисельного моделювання, отримані за допомогою коду Siglo-RF, узгоджуються із результатами вимірювань.

Виміряні криві запалювання двочастотного ємнісного розряду (27,12 МГц / 2 МГц та 13,56 МГц / 50 Гц). Вивчено вплив НЧ напруги на ВЧ криві запалювання, а також вплив ВЧ напруги на НЧ криві запалювання. При низьких НЧ напругах, накладених на ВЧ розряд, втрати заряджених частинок на електродах збільшуються, що призводить до зростання ВЧ пробійної напруги. При високих НЧ напругах, що дають внесок у іонізацію молекул газу електронами, ВЧ пробійна напруга досягає максимуму й потім зменшується до нуля. Накладення ВЧ напруги полегшує запалювання НЧ розряду.

Вивчено також моди двочастотного ВЧ (27,12 МГц) / НЧ (2 МГц) розряду. При різних співвідношеннях між ВЧ та НЧ напругами можуть спостерігатися три моди розряду: 1) несамостійний ВЧ розряд, збурений НЧ електричним полем; 2) комбінований розряд; 3) несамостійний НЧ розряд, збурений ВЧ електричним полем. Діапазон параметрів, у якому перша мода двочастотного розряду може бути загашена збільшенням НЧ напруги, обмежений з боку низького тиску кривою згасання ВЧ розряду та кривою найменшої ВЧ напруги переходу із першої моди до другої. Визначено умови існування кожної моди двочастотного розряду, а також виміряно вольт-амперні характеристики розряду.

Також вивчено процеси плазмового очищення технологічної камери, що вкрита плівками нітриду кремнію й аморфного кремнію, та травлення багатошарових матеріалів (Si₃N₄/SiO₂/Si та SiO₂/Si) у газах, які містять фтор (CF₄, SF₆ та NF₃) у високочастотному ємнісному розряді. Зроблено аналіз можливості використання різних методів (мас-спектрометрії, вимірювання тиску газу, амплітуди ВЧ напруги, кута зсуву фази між струмом та напругою, активного струму, а також величини другої гармоніки ВЧ струму) для визначення моменту закінчення процесу. Виміряні швидкості очищення камери за різних умов. Зроблено висновок про доцільність використання дисоціативного режиму ВЧ розряду в NF₃ для процесів плазмового травлення та очищення технологічних камер від забрудненень, що містять кремній.

Публікації автора:

1. В.А. Лисовский, В.Д. Егоренков. Феноменологическое описание ВЧ пробоя газа низкого давления // Письма в ЖТФ. – 1994. - Т.20, №22. - С. 68 - 73.

2. V.A. Lisovsky, V.D.Yegorenkov. Low-pressure gas breakdown in combined fields // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1994. - Vol.27, No.11. - pp. 2340-2348.

3. В.А. Лисовский, О.В. Красников. Поведение постоянного потенциала плазмы в ВЧ разряде низкого давления // Письма в ЖТФ. – 1995. - Т.21, №22. - С. 56-60.

4. В.А. Лисовский. Определение дрейфовой скорости электронов в водороде из кривых зажигания ВЧ-разряда низкого давления // Известия вузов. Физика. – 1998. - № 4. - С. 108 - 112.

5. В.А. Лисовский. Определение коэффициентов переноса электронов в аргоне из кривых зажигания ВЧ и комбинированного разрядов низкого давления // Письма в ЖТФ. – 1998. - Т.24, №8. - С. 49 - 55.

6. В.А. Лисовский. Особенности a - g перехода в ВЧ разряде низкого давления в аргоне // ЖТФ. – 1998. - Т.68, №5. - С. 52 - 60.

7. В.А. Лисовский, В.Д. Егоренков. Аналитическая модель поведения электрических полей в столкновительном ВЧ разряде низкого давления // Известия вузов. Физика. – 1998. - №12. - С. 31 - 38.

8. V.A. Lisovskiy, V.D.Yegorenkov. RF breakdown of low-pressure gas and a novel method for electron drift velocity determination in gases // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1998. - Vol.31, No.23. - pp. 3349 - 3357.

9. V.A. Lisovskiy, V.D.Yegorenkov. Electron-drift velocity determination in CF₄ and SF₆ in a strong electric field from breakdown curves of low-pressure RF discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1999. - Vol.32, No.20. – pp. 2645-2648.

10. В.А. Лисовский. Критерий пробоя газа в СВЧ поле // ЖТФ. – 1999. - Т.69, №11. - С. 25 - 29.

11. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин, Е.В. Мышко. Поведение температуры нейтрального газа в ВЧЕ разряде низкого давления в воздухе // Прикладная физика. – 2001. - №3. - С. 10-13.

12. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин, Е.В. Мышко, О.В. Красников. Температура нейтрального газа в ВЧ разряде низкого давления // Вестник Харьковского университета, Серия физическая “Ядра, частицы, поля”. – 2001. - №2. - С. 87-90.

13. В. Лисовский, С. Дине, Ж. Жоли, Ж. Гуйон, Ж.-П. Бут. Экспериментальное исследование асимметричного ВЧ емкостного разряда в водороде низкого давления // Вестник Харьковского университета, Серия физическая “Ядра, частицы, поля”. – 2003. - №2. - С. 97-100.

14. V.A. Lisovskiy, V.D.Yegorenkov. Alpha–gamma transition in RF capacitive discharge in low-pressure oxygen // Vacuum. – 2004. - Vol.74, No.1. – pp. 19-28.

15. V. Lisovskiy, S. Martins, K. Landry, D. Douai, J.-P. Booth, V. Cassagne. Electron drift velocity in NH₃ in strong electric fields determined from rf breakdown curves // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2005. - Vol.38, No.6. - pp. 872–876.

16. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, S. Martins, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne. Extinction of RF capacitive low-pressure discharges // Europhysics Letters. – 2005. -Vol.71, No.3. - pp.407-411.

17. V. Lisovskiy, S. Martins, K. Landry, D. Douai, J.-P. Booth, V. Cassagne, V. Yegorenkov. The effect of discharge chamber geometry on the ignition of low-pressure rf capacitive discharges // Physics of Plasmas. – 2005. - Vol.12, No.9. - p. 093505 (1-8).

18. V.A. Lisovskiy, V.D. Yegorenkov. Double layer onset inside the near-electrode sheath of a RF capacitive discharge in oxygen // Vacuum. – 2006. - Vol.80, No.5. - pp. 458–467.

19. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Electron drift velocity in argon, nitrogen, hydrogen, oxygen and ammonia in strong electric fields determined from rf breakdown curves // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2006. - Vol.39, No.4. - pp. 660–665.

20. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Electron drift velocity in N₂O in strong electric fields determined from rf breakdown curves // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2006. - Vol.39, No.9. - pp. 1866–1871.

21. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Modes and the alpha-gamma transition in rf capacitive discharges in N₂O at different rf frequencies // Physics of Plasmas, - 2006. - Vol.13, No.10. - p. 103505.

22. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. A technique for evaluating the RF voltage across the electrodes of a capacitively-coupled plasma reactor // Eur. Phys. J. Appl. Phys. – 2006. - Vol.36, No.2. - pp. 177–182.

23. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. The Effect of Discharge Chamber Geometry on the Characteristics of Low-Pressure RF Capacitive Discharges // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2007. - Vol.35, No.2, Part 3. - pp. 416-424.

24. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Electron drift velocity in silane in strong electric fields determined from rf breakdown curves // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2007. - Vol.40, No.11. - pp. 3408–3410.

25. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Low-pressure gas breakdown in dual-frequency RF electric fields in nitrogen // Europhysics Letters. – 2007. - Vol.80, No.2. - pp. 25001.

26. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Rf discharge dissociative mode in NF₃ and SiH₄ // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2007. - Vol.40, No.21. - pp. 6631–6640.

27. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Applying RF current harmonics for end-point detection during etching multi-layered substrates and cleaning discharge chambers with NF₃ discharge // Vacuum. – 2008. - Vol.82. - pp. 321–327.

28. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, J. Jolly, S. Martins, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne and V. Yegorenkov. Modes of rf capacitive discharge in low-pressure sulfur hexafluoride. // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2007. - Vol.40, No.22. - pp. 6989–6999.

29. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Modes of low-pressure dual-frequency (27 / 2 MHz) discharges in hydrogen // Plasma Sources Science and Technology. – 2008. – Vol.17, No.2. – pp. 025002 (1-6).

30. V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, V. Yegorenkov. Similarity law for RF breakdown // Europhysics Letters. – 2008. - Vol.82, No.1. - pp. 15001 (1-5).