ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. Каразіна

Положій Костянтин Іванович

УДК 533.9.01

ФОРМУВАННЯ ПОТОКІВ ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК У КОМБІНОВАНОМУ ІНДУКЦІЙНО-ЄМНІСНОМУ ВЧ РОЗРЯДІ

(01.04.08. – фізика плазми)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико  математичних наук

ХАРКІВ — 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України та в Науковому фізико-технологічному центрі Міністерства освіти і науки та НАН України.

Науковий керівник кандидат фіз.-мат. наук, доцент

Фареник Володимир Іванович,

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідуючий кафедрою фізичних технологій

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Падалка Валентин Глібович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, професор кафедри фізики

кандидат фізико-математичних наук, доцент Гордієнко Ігор Ярославович,

Українська інженерно-педагогічна академія, доцент кафедри загальної фізики

Провідна установа:

Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, Інститут фізики плазми, м.Харків

Захист відбудеться 20.04.2001 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.12 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, вул. Курчатова 31, читальний зал бібліотеки № 

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий 19.03.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Письменецький С.О.Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. 

За останнє десятиріччя інтенсивне впровадження вакуумно-плазмових технологій в промисловість ініціювало дослідження і розробку широкого спектра джерел іонів (ДІ) і генераторів низькотемпературної плазми виробничого призначення, а також створення на їх основі різноманітних іонно-плазмових систем (ІПС) для травління та нанесення покриттів, які перекривають по параметрах потоків заряджених частинок весь практично значущий діапазон.

Одним з перспективних напрямків вакуумно-плазмових технологій, які підвищують якість обробки поверхні виробів мікроелектроніки, машинобудування, оптики, медицини є розвиток методів, що використовують комбіновані потоки частинок: низькоенергетичних (e<1000іонів та радикалів хімічно активних речовин і нейтральних атомів.

Так реактивне іонно-променеве травління (РІПТ) дозволяє поєднати переваги плазмово-хімічного травління (ПХТ) (високу швидкість і селективність, мінімальні пошкодження приповерхневих шарів матеріалу і його структури, відносно невеликий енерговклад на одиницю поверхні, і, відповідно, незначний нагрів зразка в процесі обробки) з перевагами іонно-променевого травління (низьким тиском робочого газу, високою анізотропією і можливістю профільованого травління, субмікронною роздільною здатністю обробки).

Сучасний рівень розвитку технологій нанесення функціональних покриттів передбачає формування тонких шарів багатокомпонентних структур з високою швидкістю осадження і високими експлуатаційними характеристиками. Виконання цих вимог забезпечують методи реактивного іонно-плазмового синтезу (РІПС), в яких у процесі зростання плівки величина енергії на один осаджений атом може становити сотні електрон-вольт, що дозволяє синтезувати сполуки з унікальними властивостями, принципово недосяжними іншим методам. Тому методи РІПТ і РІПС є найбільш пріоритетними у розвитку прецизійної обробки складно-композиційних сполук, до яких, наприклад, відносяться матеріали для швидкодіючої мікроелектроніки (GaAs), оптоелектроніки (CdHgTe), імплантології (гідроксилапатит).

Тенденції розвитку методів РІПТ і РІПС визначають наступні основні вимоги до параметрів ІПС незалежно від засобу створення плазми:

·

· висока однорідність потоків частинок на великій площі (до 1 м2);

· мінімальний вміст домішок за масовим спектром потоку (менше за 1%);

· зарядова і струмова нейтралізація потоків заряджених частинок;

· можливість тривалої роботи з хімічно активними газами;

· низький тиск робочого газу (менше за 10-2 Торр);

· висока енергетична і газова економічність, великий ресурс роботи, простота і надійність конструкції, зручність в управлінні та можливість автоматизації роботи пристрою, безпека обслуговуючого персоналу і т.д..

За сукупністю параметрів цим вимогам задовольняють плазмові ДІ, які складаються з плазмоутворюючої частини — газорозрядної камери (ГРК) та іонно-оптичної системи, де відбувається прискорення іонів і формування пучків. Серед плазмових ДІ найбільш перспективними є так звані безелектродні розряди, зокрема ВЧ індукційний (ВЧІ) розряд. Переваги ВЧІ розряду зумовлені високою щільністю плазми (до 1012 частиноксм3), мінімальним розбігом іонів по енергії (De Ј  эВ), відносно низьким тиском робочого газу (10- ё10-3 Торр), високою енергетичною економічністю (затрати енергії на одиницю струму іонів 30 ё100 Дж /А), відсутністю розжарених вузлів (а тому великим ресурсом роботи з хімічно активними газами), можливістю незалежного керування енергією та щільністю потоку заряджених частинок.

Найбільш перспективними пристроями на базі ВЧІ розряду для обробки поверхонь діелектриків і бездефектного травління критичних до нагріву матеріалів є ІПС, що використовують для прискорення іонів із плазми квазістаціонарне приелектродне падіння потенціалу, яке утворюється завдяки так званому діодному ефекту ВЧ ємнісного (ВЧЄ) розряду. Такі ІПС представляють, по суті, єдиний комбінований індукційно-ємнісний ВЧ розряд (ВЧІЄ розряд). Для більшості технологій РІПТ і РІПС переважним є діапазон низького тиску (p -4ё10-3 Торр). Оскільки існування самостійного ВЧЄ розряду в цьому діапазоні тиску ускладнено, ВЧІ розряд можна вважати базовим, а ВЧЄ розряд — забезпечуючим прискорення іонів в приелектродних шарах при незначному впливі на процеси іонізації. В даний момент переваги ВЧІ та ВЧЄ розряду визнані багатьма дослідниками в області фізики низькотемпературної плазми, що викликало в останні роки, особливо в США та Японії, велику кількість теоретичних та експериментальних робіт по ВЧІ та ВЧЄ розрядам і їх технічним застосуванням.

Але ВЧІЄ розряд низького тиску та його практичне застосування залишаються на сьогоднішній день в значній мірі невивченим. З цієї причини фізичні властивості ВЧІЄ газового розряду і, передусім, умови існування розряду в області низького тиску робочого газу, інтегральні струмові та енергетичні характеристики, вплив геометрії робочої камери на розрядні параметри, можливість підвищення однорідності плазми потребують подальшого дослідження. Цим і визначається актуальність проведення експериментальних і теоретичних робіт в області фізики ВЧІЄ розряду.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. 

Обраний в дисертаційній роботі напрямок досліджень є частиною робіт, які проводяться в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки та в Науковому фізико-технологічному центрі Міністерства освіти і науки та НАН України, і пов'язаний з виконанням наступних фундаментальних науково-дослідницьких робіт:

1. “Дослідження умов формування електричних розрядів у комбінованих полях та процесів взаємодії плазми з поверхнею твердого тіла.” (№ держреєстрації 0194U018581), Науковий фізико-технологічний центр Міністерства освіти і науки та НАН України;

2. “Дослідження процесів формування потоків заряджених частинок в іонно-плазмових системах з комбінованими полями” (№ держреєстрації 0197U016507, - кафедра фізичних технологій Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.)

Мета і задачі дослідження. 

Встановити вплив зовнішніх інтегральних параметрів розряду на параметри потоків заряджених частинок в комбінованому індукційно-ємнісному ВЧ розряді низького тиску†) для оптимізації технологічних процесів фізичного розпилення та реактивного травління в ІПС на базі ВЧІЄ розряду.

Для досягнення цієї мети потрібно було вирішити наступні задачі:

·

· провести експериментальні дослідження впливу потенційної (ВЧЄ) складової поля на процеси іонізації у ВЧІ розряді;

· побудувати модель енергетичного балансу в комбінованому ВЧІЄ розряді у випадку асиметрії електродів;

· розвинути теоретичну модель стаціонарного ВЧІ розряду поблизу порога згасання для визначення нижньої межі області існування розряду за потужністю та тиском робочого газу;

· на основі експериментальних і теоретичних досліджень провести оптимізацію процесу іонно-плазмового розпилення з використанням систем на базі ВЧІЄ розряду.

Наукова новизна одержаних результатів. 

Рівень новизни отриманих результатів визначається наступними положеннями, що виносяться на захист:

1. Вперше встановлено, що енергетична ціна іона‡) поблизу порога погасання ВЧІ розряду низького тиску залежить від поглинутої у розряді потужності.

2. Експериментально встановлений факт зниження енергетичної ціни іона під впливом дії на стаціонарний ВЧ індукційний розряд потенціальної складової ВЧ електричного поля.

3. Побудована феноменологічна модель енергобалансу в комбінованому індукційно-ємнісному ВЧ розряді у випадку несиметричних ВЧ електродів.

4. Удосконалена теоретична модель стаціонарного ВЧ індукційного розряду низького тиску, яка встановлює зв'язок між інтегральними внутрішніми та зовнішніми параметрами розряду.

5. Вперше теоретично встановлена залежність між ВЧ потужністю та тиском робочого газу в розряді, нижче яких існування розряду неможливе.

6. Вперше встановлена залежність між відношенням площ ВЧ електродів та ВЧ потенціалу між ними, які відповідають максимальній енергетичній ефективності процесу фізичного розпилення, а також оптимальному перерозподілу потужності на робочий електрод для розпилювальних систем на базі індукційно-ємнісного ВЧ розряду.

Практичне значення одержаних результатів. 

Експериментальні результати вимірювань енергетичної ціни іона поблизу нижньої межі існування ВЧІ розряду за потужністю та тиском робочого газу можуть бути використані для подальшої інтерпретації фізичних процесів у ВЧІ розряді, а також у теорії позитивного стовпа тліючого розряду. Оцінки енергетичної ціни іона в комбінованому ВЧІЄ розряді мають велике значення для порівняння теоретичних робіт та експерименту в задачі стохастичного нагріву плазми. Удосконаленна теоретична модель ВЧІ розряду може бути використана для подальшого розвитку моделей розрядів з об'ємною іонізацією. Виявлена геометрична подібність параметрів ВЧІ розряду низького тиску та отримана область існування розряду дозволяють оптимізувати газорозрядну камеру за потрібним діапазоном тиску робочого газу. Експериментальні залежності енергетичної ціни іона дозволяють знайти діапазон робочих параметрів з максимальною ефективністю іонізації. За допомогою моделі розподілу потужності у ВЧІЄ розряді можливо провести оптимізацію технологічних процесів фізичного розпилення та реактивного травління.

Особистий внесок здобувача. 

Особистий внесок дисертанта полягає в безпосередньому одержанні всіх даних експерименту та теоретичному описі, що складають предмет дисертації. Дисертант брав активну участь в обговоренні результатів експерименту на підставі існуючих теорій, у розробці нових методів дослідження комбінованого індукційно-ємнісного ВЧ розряду, у підготовці й оформленні матеріалів публікацій. Внесок здобувача до публікацій за темою дисертації, що наведені наприкінці автореферату такий:

1. В роботах [1,5] здобувач отримав систему рівнянь, які описують розподіл енергії в розпилювальних системах на базі комбінованого індукційно-ємнісного ВЧ розряду, та встановив оптимальне співвідношення параметрів розряду за ефективністю розподілу потужності на прискорення іонів на робочому електроді. У роботі [3] здобувач поширив результати роботи [1] для їх використання при розробці джерел низькоенергетичних іонів на базі ВЧІЄ розряду, а також запропонував методику вимірювання втрат ВЧ потужності генератора в елементах конструкції та зовнішніх електричних ланцюгах.

2. У роботах [2,6] він отримав експериментальні залежності енергетичної ціни іона від потужності та тиску для ВЧІ та ВЧІЄ розрядів.

3. У роботі [4] здобувач вдосконалив існуючу теоретичну модель стаціонарного ВЧІ розряду та отримав аналітичну залежність між тиском та потужністю, які відповідають згасанню розряду.

4. В роботі [7] здобувач брав участь у відпрацюванні технологій реактивного іонно-плазмового травлення TiN та в розрахунку температурних режимів робочої поверхні під час технологічного процесу. В роботі [8] здобувач розрахував та провів технологічні процеси нанесення багатошарових покриттів методом реактивного іонно-променевого синтезу. В роботі [9] здобувач розрахував та провів технологічні процеси нанесення пасивуючих покриттів різними вакуумно-плазмовими методами.

Апробація результатів дисертації. 

Основні результати дисертаційної роботи оприлюднені на таких наукових конференціях:

23rd EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (1996, Kiev, Ukraine), "Физика плазмы и плазменные технологии" (1997, Минск, Беларусь), "Тонкие пленки в электронике" (1998, Харьков, Украина), 10th International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams (1997, Gatlinburg, Tennessee).

Публікації. 

За темою дисертації опубліковано 4 статті у наукових виданнях. Всього за темою дисертації надруковано 9 наукових праць, перелік яких надано у заключній частині автореферату.

Структура та об'єм дисертації. 

Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел із 81 найменування. Загальний обсяг дисертації складає 140 сторінок. Основний текст дисертації складає 127 сторінок, у тому числі 40 рисунків.

Основний зміст

Перший розділ дисертації. 

У першому розділі наводиться огляд літератури за темою дисертації, де висвітлено сучасний стан проблеми в фізиці індукційного та ємнісного ВЧ розрядів. На підставі узагальнення наукових робіт зроблено висновки про використання тих чи інших методів дослідження комбінованого розряду. Зазначено, що як свідчать експериментальні дані, існування самостійного ємнісного розряду при ВЧ напругах менше 500 В та низькому тиску робочого газу – утруднено. На підставі цього робиться висновок, що основна роль у процесах іонізації в об'ємі квазінейтральної плазми належить ВЧІ складової розряду, а роль ВЧЄ складової полягає у формуванні приелектродних шарів просторового заряду, в яких відбувається прискорення іонів на електроди.

Другий розділ дисертації. 

У другому розділі наводиться опис методик вимірювань та експериментального обладнання. Дослідження комбінованого ВЧІЄ розряду було виконано на базі джерела низькоенергетичних іонів (e ё500 еВ) [2], яке може бути також використане як розпилювальна система або реактор ПХТ [7]. У цьому розділі наводиться обгрунтовування обраних методик вимірювання внутрішніх та зовнішніх параметрів розряду. Запропоновано методику [3] та проведено вимірювання втрат ВЧ потужності у зовнішніх елементах конструкції ГРК. Також наведено опис засобів адаптації електронно-вимірювальної техніки для роботи в умовах сильних ВЧ полей.

Третій розділ дисертації. 

Третій розділ дисертації присвячений експериментальному дослідженню індукційного та комбінованого ВЧ розрядів низького тиску. В роботі отримано основні інтегральні характеристики ВЧІ та ВЧІЄ розрядів. З метою визначення принципової ролі впливу ВЧЄ складової поля на процеси формування потоків заряджених частинок у ВЧІЄ розряді виконано порівняння фізичних параметрів самостійного ВЧІ та ВЧІЄ розрядів. На підставі результатів експериментальних досліджень було зроблено висновок, що для порівняння цих двох типів розрядів за ефективністю іонізації більш зручною та інформативною характеристикою є енергетична ціна іона h? [2,6]. З урахуванням цього було виконано оцінювання енергетичної ціни іона, які засвідчили, що вплив ВЧЄ складової електричного поля на самостійний ВЧІ розряд полягає у значному зниженні величини h (див. рис.1) [2,6]. Завдяки отриманим результатам було вказано на потребу в додаткових теоретичних дослідженнях області існування розряду та розподілу ВЧ потужності між процесами іонізації та прискоренням іонів у комбінованому розряді.

Четвертий розділ дисертації. 

Четвертий розділ присвячений теоретичному дослідженню процесів формування потоків заряджених частинок у комбінованому ВЧІЄ розряді низького тиску та в його дрібному випадку – ВЧІ розряді. Пропонується теоретична модель розподілу потужності у комбінованому розряді [1], в якій вважається, що ГРК обмежена поверхністю двох ВЧ електродів площами S1 і S2 (S1<S2) та поверхністю діелектрика площею SD (загальна площа камери складає S0), ВЧ потужність генератора розподіляється між процесами іонізації в області квазінейтральної плазми та прискоренням іонів в області приелектродних шарів просторового заряду, співвідношення падінь ВЧ потенціалів у приелектродних шарах обернено пропорційне четвертому степеню співвідношення площ відповідних електродів. У межах цих положень отримана наступна система рівнянь:

де

pi — втрати потужності в об'ємі плазми на іонізацію,

p1, p2 — втрати потужності на прискорення іонів на електроди відповідних площ S1, S2,

pi, p1, p2 — нормовані на одиницю ВЧ потужності генератора,

j — ВЧ потенціал між електродами.

Графічне представлення рішення цієї системи рівнянь пропонується на рис.2. Потрібно звернути увагу на те, що ВЧ потужність, яка втрачається на прискорення іонів на ВЧ електрод меншої площі має чіткий максимум в залежності від співвідношення ВЧ електродів. Положення цього максимуму залежить від потенціалу j, про що свідчить рис.3. В роботі отримано аналітичний вираз залежності параметрів розряду для положення цього максимуму: , де dopt та jopt відповідають значенням співвідношення площ електродів d та ВЧ потенціалу j в максимумі p1 (рис.4). Ця залежність, фактично, вказує на енергетичну ефективність розпилювальної системи. При значеннях d < .55 максимуму p1 не існує, це означає, що p1 має схожу до p1 монотонно спадаючу залежність.

Слід відзначити, що при побудові моделі балансу потужності вважалось, що енергетична ціна іонів у розряді залишається незмінною, але ж, як було отримано з експериментів, ціна іона суттєво залежить від ВЧ потенційного поля.

Для встановлення залежності енергетичної ціни іонів від зовнішніх параметрів розряду та для встановлення нижньої межі існування розряду за тиском та ВЧ потужністю було вдосконалено існуючі теоретичні моделі ВЧІ розряду низького тиску. В роботах Бондаренко) та Либермана) отримано, що температура електронного газу Te у випадку максвеловської функції розподілу електронів по енергії (ФРЕЕ) є функцією тільки тиску p та геометричного фактору d0, який вважається рівним відношенню об'єму розрядної камери до площі її поверхні. Вдосконалення існуючих моделей ВЧІ розряду було проведено на підставі аналізу фізичного смислу параметру d0, якій є відношенням об'єму іонізації та площі поверхні виходу заряджених частинок. В розряді формуються безіонізаційні шари приелектродного падіння потенціалу, та за умов високої щільності плазми можна вважати розміри об'єму іонізації співпадаючими з об'ємом ГРК (це і було зроблено у роботах Бондаренко та Лібермана).

Але ж в області низького тиску та при невеликих ВЧ потужностях зростають розміри безіонізаційних приелектродних шарів, і об'єм іонізації не можна вважати співпадаючим з розміром ГРК, що і було враховано в дисертаційній роботі. На підставі цього було отримано систему рівнянь [4], яка може застосовуватись в умовах низької щільності плазми:

де

PS — потужність ВЧ генератора нормована на одиницю площі ГРК,

j — щільність струму іонів на поверхні ГРК,

Ui — потенціал іонізації,

x h/d0 – безрозмірна товщина приелектродного шару h,

A0, B0 — постійні величини.

Порівняння результатів роботи Бондаренка та вдосконаленої моделі пропонується на рис.5. Важливим фактом є наявність критичного тиску, який залежить від потужності, нижче якого існування розряду неможливе. Було також отримано залежність параметрів розряду відповідно до кривої погасання розряду (див. рис.6).

Як бачимо з рис.6, результати теоретичної моделі виявляють добру якісну відповідність до експерименту. Слід звернути увагу на те, що залежності характеристик розряду мають подібність

відносно параметрів PSd02 та pd0. Якщо в класичній постановці задачи існував лише один геометричний параметр подібності — , то у нашому випадку маємо ще й другий — d02. В цьому розділі також вказано можливі причини кількісної розбіжності результатів теорії та експерименту.

П'ятий розділ дисертації. 

П'ятий розділ дисертації присвячений апробації отриманих теоретичних та експериментальних результатів в технологічних процесах. В розділі проведено оптимізацію процесу фізичного розпилення та реактивного іонно-плазмового травління. З використанням моделі розподілу потужності у комбінованому розряді було отримано залежність швидкості розпиленого матеріалу на поверхні електроду від параметрів розряду (рис.7) [1] та проведено оптимізацію іонно-плазмового травління [7]. Завдяки моделі балансу потужності стає можливим контролювання енергії, яка розігріває виріб під час технологічного процесу. На підставі цього можна проводити розрахунки, які дозволяють моделювати процес нагріву [7]. З використанням результатів дисертаційної роботи були проведені технологічні цикли нанесення різноманітних покриттів, які показали високу якість [7-9].

Висновки

Таким чином в дисертації виконана мета роботи, яка полягає у встановленні впливу зовнішніх параметрів комбінованого розряду на параметри потоків заряджених частинок. Під час проведення досліджень було отримано ряд нових результатів, які представляють інтерес з точки зору фізики газового розряду, а також можуть бути використані для подальшого вдосконалення технологічного іонно-плазмового обладнання на базі ВЧІ і ВЧІЄ розрядів, а саме:

·

· встановлений факт зменшення енергетичної ціни іона під впливом дії на стаціонарний ВЧІ розряд потенційної складової ВЧ поля мають важливе значення для теоретичного та експериментального дослідження процесів стохастичного нагріву плазми і формування ФРЕЕ, як в самостійних ВЧЄ і ВЧІ, так і в комбінованому ВЧІЄ розрядах;

· вдосконалена модель стаціонарного ВЧІ розряду низького тиску може бути використана для якісної інтерпретації різних експериментальних даних, а також може служити безпосередньо основою для подальшого теоретичного дослідження процесів у ВЧІ плазмі та в позитивному стовпі тліючого розряду. Виявлена геометрична подібність параметрів ВЧІ розряду низького тиску та отримана область існування дозволяють оптимізувати газорозрядну камеру за потрібним діапазоном тиску робочого газу;

· феноменологічна модель розподілу потужності в комбінованому ВЧІЄ розряді у випадку несиметричних електродів дозволяє визначити під час технологічного циклу енерговклад на поверхню покриттів, які наносяться, для контролювання й управління різними технологічними параметрами (температурний режим, швидкість напилення і осадження і т.д.);

· отримана залежність потоку потужності на ВЧ електроди від ВЧ потенціалу та відношення площ ВЧ електродів у ВЧІЄ розряді дозволяє при конструюванні розрядних систем для заданої ВЧ напруги визначати розміри електродів з метою максимального збільшення енергетичної ефективності технологічних процесів розпилення.

На закінчення автор хотів би висловити свою подяку науковому керівникові директору НФТЦ, зав. кафедри фізичних технологій ХНУ ім. В.Н. Каразіна, канд. фіз.-мат. наук., доценту Фаренику Володимиру Івановичу за постійне надання методичної допомоги та забеспечення матеріально-технічних умов під час проведення експериментів, а також колективам кафедри фізичних технологій та Наукового фізико-технологічного центру. Автор виражає свою вдячність особисто канд. фіз.-мат. наук, доценту Зикову А.В. і канд. фіз.-мат. наук Дудіну С.В. за надану методичну допомогу при проведенні експериментів і при обговоренні та інтерпретації отриманих результатів, а також канд. фіз.-мат. наук Ушакову А.В. та філологу Положій Л.А. за надану допомогу при оформленні та підготовці дисертаційної роботи. Проведення досліджень, представлених в даній роботі, було б неможливе без експериментального і діагностичного обладнання, яке було люб'язно надане Науковим фізико-технологічним центром Міністерства освіти і науки та НАН України (м. Харків), за що автор виражає свою щиру вдячність.

Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

1. С.В.Дудин, А.В.Зыков, К.И.Положий Энергетическая оптимизация распылительных систем на базе ВЧ индукционно-емкостного разряда // Письма в ЖТФ. 1996, т. 22, в.19, с.54-59.

2. Дудин С.В., Зыков А.В., Положий К.И., Фареник В.І.. Энергетическая цена иона в комбинированном индукционно-емкостном ВЧ разряде. Письма в ЖТФ. 1998, том , № , стр. .

3. Маишев Ю.П., Фареник В.И., Положий К.И. и др. Исследования высокочастотного индукционного разряда низкого давления для создания широкоаппертурных источников ионов с высокой однородностью тока пучка // Труды Физико-технологического института РАН. 1999, т.15, стр. .

4. Зыков А.В., Положий К.И. Стационарные состояния ВЧ индукционного разряда низкого давления вблизи порога погасания // Письма в ЖТФ, 2000, т. 26, выпуск № , с. 68-74.

5. Farenik V.I., Zykov A.V., Dudin S.V., Ushakov A.V., Polozhiy K.I. Energetic Optimization of an RF Sputtering System // 23rd EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. Abstracts of Invited and Contributed Papers, Kiev, Ukraine, 1996, p. 451.

6. Дудин С.В., Зыков А.В. Положий К.И. Энергетическая цена иона в комбинированном индукционно-емкостном ВЧ разряде. // Материалы международной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии", г.Минск. 1997 г., Т.4, с. 728.

7. Дудин С.В., Зыков А.В., Положий К.И. Реактивное ионно-плазменное травление TiN в комбинированном ВЧ индукционно-емкостном разряде. Труды Украинского вакуумного Общества. 1997, Т.3., с.488-491.

8. A.V. Zykova, S. V. Lyubomirov, S. V. Dudin and K. I. Polozhiy. The synthesis of Multilayer Bioinert-Bioactive Coatings by Reactive Ion-Beam Synthesis Method (RIBS). // 10th International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams. Gatlinburg. Tennessee. September 21-26, 1997; TUamP-16.

9. A.V.S.V.S.V.and K.I.. The Comparative Analysis of Corrosion Resistance of Bioinert Coatings, Deposited by Various Vacuum-Plasma Methods. // 10th International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams. Gatlinburg. Tennessee. September 21-26, 1997; TUamP-17.

Положій К.І.

Формування потоків заряджених частинок у комбінованому індукційно-ємнісному ВЧ розряді

Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук.

01.04.08 — фізика плазми

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна

Харків, 2001

Дисертація присвячена дослідженню процесів формування потоків заряджених частинок у комбінованому індукційно-ємнісному ВЧ розряді низького тиску (p < -2 Торр). В роботі проведено експериментальні дослідження параметрів комбінованого розряду та встановлено, що наявність ємнісної складової ВЧ поля у порівнянні з самостійним індукційним ВЧ розрядом призводить до значного зниження енергетичної ціни іонів. Побудована феноменологічна модель розподілу потужності в комбінованому розряді у випадку асиметричних ВЧ електродів. В моделі припускається, що потужність розподіляється на три складові: іонізацію та прискорення іонів у приелектродних шарах поблизу двох ВЧ електродів. Встановлено, що існує максимум потужності на прискорення іонів на електрод меншої площі, а також отримано його залежність від параметрів розряду. За припущенням, що іонізація відбувається лише в області квазінейтральної плазми, а потенціал та розміри приелектродних шарів зв'язані “законом 3/2” розвинуто модель стаціонарного індукційного ВЧ розряду з урахуванням кінцевих розмірів приелектродних шарів. В моделі знайдено, що залежність температури електронів має двузначну залежність. Також отримана залежність між тиском робочого газу та потужністю, нижче яких неможливе існування стаціонарного індукційного розряду. За допомогою результатів моделі розподілу потужності отримано співвідношення параметрів системи, які відповідають максимальній енергетичній ефективності процесу фізичного розпилювання для систем на базі комбінованого індукційно-ємнісного розряду.

Ключові слова: ВЧ розряд, індукційний розряд, ємнісний розряд, джерело іонів, розпилювальні системи.

Положий К.И.

Формирование потоков заряженых частиц в комбинированном индукционно-емкостном ВЧ разряде

Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук

01.04.08 — физика плазмы

Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина

Харьков, 2001

Работа посвящена исследованию процессов формирования потоков заряженых частиц в комбинированном индукционно-емкостном ВЧ разряде низкого давления. В работе проведены теоретические и экспериментальные исследования интегральных характеристик разряда.

На основе экспериментальных данных рассчитаны зависимости энергетической цены иона, от параметров комбинированного ВЧ индукционно-емкостного разряда при низких давлениях (  p < 10-2 Торр). Установлено, что существует минимум энергетической цены иона (75 эВ/ион) в зависимости от давления (рабочий газ — аргон). При значениях подводимой ВЧ мощности близких к порогу погасания наблюдается рост энергетической цены ионов. Также обнаружен эффект значительного снижения энергетической цены иона (до 40 эВ/ион) при подаче ВЧ потенциала на электроды.

Построена модель энергетического баланса в комбинированном ВЧИЕ разряде в случае асимметрии электродов в предположении, что подводимая мощность распределяется между тремя каналами поглощения: затратами на ионизацию и ускорение ионов на двух ВЧ электродах. Обнаружено существование максимума ВЧ мощности, затраченной на укорение ионов на меньший электрод, в зависимости от соотношения площадей электродов. Так же получены выражения для параметров системы соответствующих данному максимуму.

Усовершенствована самосогласованная, пространственно усредненная модель ВЧ индукционного разряда низкого давления. В модели сделаны следующие допущения: рассматривается случай низких давлений, когда уход ионов на стенки разрядной камеры происходит бесстолкновительно; область локализации плазмы разделяется на две модельные области (область квазинейтральной плазмы (ne~ni) и область пристеночного безионизационного слоя падения потенциала, образованного нескомпенсированным объемным зарядом положительных ионов (ne<< ni)); распределение электронов по скоростям — максвелловское, зависимость распределения плотности электронов по координате определяется распределением Больцмана, вся энергия поступает в разряд от электронов, нагретых вихревым ВЧ полем индуктора; рассматривается случай квазинейтрального потока ионов и электронов на стенки разрядной камеры, т.е. плотность тока ионов тождественно равна плотности тока электронов.

В рамках модели показано, что учет размеров безионизационных приэлектродных слоев приводит к двузначной зависимости равновесной температуры электронов от давления и мощности. Установлено, что существует критическая мощность, зависящая от давления и геометрии рабочей камеры, ниже которой существование стационарного индукционного разряда невозможно. В работе получено соотношение критического давления и мощности для кривой погасания разряда. Проведено сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными, которое показало хорошее качественное и количественное соответствие теории и эксперимента. Полученные результаты позволили найти параметры системы, оптимальные с точки зрения энергетической эффективности процесса ионизации, и могут быть полезными для уточнения теоретических моделей комбинированного ВЧИЕ разряда.

На примере распыления кремниевой мишени ионами аргона проведена оптимизация процесса физического распыления для систем на базе ВЧИЕ разряда.

Ключевые слова: ВЧ разряд, индукционный разряд, емкостной разряд, распылительные системы, источник ионов.

Polozhii

The Charged Particle Flow Formation in Combined Inductive-Capacitive RF Discharge.

Manuscript. Thesis for Candidate of Science Degree in Physics and Mathematics.

01.04.08 — Plasma Physics

Kharkov National University named after V. N.

Kharkov, 2001

Dissertation is devoted to research of charged particle flow formation in combined inductive-capacitive RF discharge at low pressure. It is obtained from experimental research that energy lost per ion creation decreases at putting RF potential to electrode. The power distribution model in combined RF discharge in case of two asymmetric RF electrodes is developed. It is assumed that power distributes on three part: ionization and acceleration of ions in two electrode-sheath transition. It is obtained, that a power maximum exist on acceleration of ions on electrode which has a lower area. Been accorded expression for dependence of optimum discharge parameters. Developed a global volume-avraged model of inductively coupled discharge. The non zero dimensions of sheath layers is taken into account. For supposition, that ionization takes place only in plasma bulk, and potential and dimensions of sheath are described by "Child's low" the dependence of critical pressure and power corresponding to discharge shutdown is obtained. At using the power distribution model results the system parameters correlation for a maximum process effectiveness of physical sputtering for systems on the basis of combined inductive-capacitive discharge has been obtained.

Key words: RF discharge, inductively coupled dischsrge, capacitive, sputtering system, ion sources.