Нелинейные взаимодействия разрывных акустических волн в средах с распределенными в объеме и на границах случайными неоднородностями

На правах рукописиАвтаева Светлана ВладимировнаФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЕМКОСТНЫХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И БАРЬЕРНОМ РАЗРЯДАХ И ИХЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ01.04.08 – физика плазмыАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукБишкек 20112Работа выполнена на кафедре физики и микроэлектроники ГОУВПОКыргызско-Российский Славянский УниверситетНаучный консультант:член корреспондент НАН КР,доктор физико-математических наук, профессорДжоомарт Каипович ОторбаевОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессорЮрий Анатольевич Лебедевдоктор физико-математических наукКонстантин Васильевич Руденкодоктор физико-математических наук, профессорВалерий Михайлович ШибковВедущая организация:Учреждение Российской академии наукИнститут сильноточной электроникиСибирского отделения РАНЗащита состоится « »2012 года в - на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.

1, стр. 2,Физический факультет МГУ, ауд. ___.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «___» __________ 2012 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов3I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена исследованию емкостных высокочастотных и барьерногоразрядов. Особое внимание в работе уделено изучению параметров частиц ифизико-химических процессов в плазме, влиянию этих процессов нахарактеристики разрядов.

Для изучения ВЧЕ разрядов в основномиспользуются экспериментальные методы исследования; особое вниманиеуделяется обоснованию применения спектральных методов. Барьерные разрядыисследуются численными методами; большое внимание уделяется разработкемоделей барьерных разрядов.Актуальность темы.Неравновесные газовые разряды в последние десятилетия привлекаютогромный интерес исследователей, что связано с широким кругом ихиндустриальных приложений.Емкостные ВЧ разряды работающие на частоте 13.56 МГц были первыми,используемыми в технологиях плазменной обработки (плазменного травления)[1*–4*].

Однако их неспособность создавать плазму высокой плотности принизких давлениях газа и разделять функции генерации плазмы и ускоренияионов ограничили их применение и привели в начале 90-х годов к появлениюисточников с индуктивной ВЧ плазмой.Плазменные реакторы, основанные на индуктивных ВЧ разрядах могутобеспечивать высокие плотности плазмы при низких давлениях газа инезависимо контролировать плотность (ионного потока) и энергию ионов [5*–7*].

Однако применение индуктивных ВЧ разрядов в коммерческих реакторахдля плазменной обработки показало их существенные ограничения. Сюдаможно отнести неспособность работать в индуктивной моде с низкойплотностью плазмы (n<<1011см-3) и малой длиной разрядного промежутка,значительные радиальные и азимутальные неоднородности [8*].Другим направлением, развиваемым в начале 90-х годов, былоиспользование магнитного поля для улучшения характеристик реактивногоионного травления (РИТ) в ВЧЕ разрядах. РИТ часто приводит кнежелательным радиационным повреждениям и/или загрязнениям поверхности,которые должны впоследствии удаляться. ВЧЕ разряды в магнитном полепозволяют получить более высокие скорости травления и малые энергиибомбардировки ионов, что приводит к снижению количества повреждений иуменьшает потребность в их отжиге.

Использование магнитного поля вразрядах в смесях газов может приводить к пространственному разделениюкомпонент смеси [9*]. К началу данной работы лишь небольшое число работбыло посвящено изучению фундаментальных свойств ВЧЕ разрядов вмагнитном поле [10*–13*].Основным преимуществом реактивного ионного травления, являетсяпотенциальная возможность прецизионного анизотропного травления4материала в направлении, перпендикулярном его поверхности.

Широкоприменяемое в промышленности в начале 90-х годов травление вфторсодержащей плазме CF4 или CF4–O2 (SF6, NF3, ClF3 и др.) при отсутствиикаких-либо кристаллографических эффектов происходит изотропно содинаковой скоростью по всем направлениям. Анизотропное травлениестимулируют бомбардировкой положительными ионами. Однако при большихконцентрациях атомарного фтора F (1014÷1015 см-3) в плазме ионное ускорениепроцесса травления не исключает спонтанного травления под маску и необеспечивает необходимой в задачах субмикронной технологии анизотропиитравления.

В связи с этим было предложено использовать в качестветравителей менее химически активные галогены. Так в работах [14*, 15*] былапродемонстрирована возможность анизотропного травления кремния в плазметрифторбромметана (CF3Br). Однако к началу работ, представленных в даннойдиссертации, внутренние параметры CF3Br плазмы, химические реакции ичастицы, ответственные за процесс травления кремния в CF3Br плазме не былиизучены.Наряду с травлением полупроводниковых структур ВЧЕ разрядыиспользуют для осаждения тонких аморфных гидрогенизированныхуглеродных пленок, часто называемых алмазоподобными.

Они обладаютуникальными свойствами, такими как высокие твердость, электрическаяпрочность, химическая стойкость, прозрачность в видимой области спектра, ииспользуются в качестве диэлектрических и защитных слоев, в том числе вмикроэлектронике [16*]. При плазменном осаждении алмазоподобных пленокчасто используются смеси метана с водородом и инертными газами. Несмотряна активные исследования метансодержащей плазмы [17*–19*], параметрыхимически активных частиц, физико-химические процессы протекающие вплазме и на поверхности к началу работы над диссертацией оставались слабоизученными. Разработка методов контроля и изучение параметровметансодержащей плазмы представляют практический интерес для пониманиямеханизмов формирования алмазоподобных пленок и оптимизации условий ихосаждения.Прогресс в разработке источников плазмы для изготовленияполупроводниковых структур требует знания параметров плазмы этихисточников.

Экспериментальное исследование параметров и физикохимических процессов в химически активной плазме представляет собойчрезвычайно трудную задачу. Методы контактной диагностики неравновеснойплазмы разработаны авторами [20*]. Методы мониторинга параметров плазмыв реакторах для плазменного травления активно развивались в последнемдесятилетии [21*].Барьерные разряды (БР) обеспечивают эффективные технологии дляполучения неравновесной плазмы в газах атмосферного давления. Свойства БРпривели к большому количеству индустриальных приложений барьерных5разрядов, таких как генерация озона, модификация поверхностей, осаждениепокрытий, контроль загрязнений, стерилизация и дезинфекция, CO2-лазеры,эксилампы и плазменные дисплейные панели (ПДП) [22*– 24*].Эксимерные лампы (эксилампы) – относительно недавно появившийсякласс источников спонтанного УФ- и ВУФ- излучения, в которых используетсянеравновесное излучение эксимерных или эксиплексных молекул [25*, 26*].

Вотличие от люминесцентных и тепловых источников УФ и ВУФ излучения, до80% общей мощности излучения эксилампы может быть сосредоточено в узкой(не более 10 нм на полувысоте) полосе соответствующей молекулы. При этомудельные мощности излучения превышают величины, характерные для лампнизкого давления на резонансных переходах атомов. К числу наиболееизученных и востребованных относятся эксилампы на переходах димераксенона Xe*2 (λ=172 нм).К началу исследования барьерных разрядов в рамках диссертационнойработы как отечественными, так и зарубежными группами был проведен циклработ по созданию, исследованию и применению эксиламп [27*–29*]. Однакомногообразие возможных условий возбуждения эксиламп, влияние на ихвыходные характеристики многих, часто взаимозависимых, факторовсущественно осложняют создание эксиламп с необходимыми для практическихприменений выходными параметрами [30*].

Дальнейшее совершенствованиеэксиламп актуально в связи с возрастающими потребностями науки и техники вмощных и недорогих источниках УФ и ВУФ излучения.Плазменные дисплейные панели (ПДП) представляют собой матрицысубмиллиметровых флуоресцентных ламп, сложным образом контролируемыхэлектронными драйверами [31*, 32*]. Каждый элемент изображения (пиксель)ПДП состоит из трех элементарных разрядных ячеек, излучающихультрафиолетовое (УФ) излучение. УФ излучение с помощью люминофоровпреобразуется в видимый свет трех цветов. Плазма в каждой ячейке ПДПпеременного тока генерируется барьерным разрядом, горящем в тлеющемрежиме в смеси инертных газов.

Типичное давление составляет 500 Тор вгазоразрядном зазоре 100 мкм. В качестве переменного напряженияиспользуется прямоугольный сигнал частотой порядка 100 кГц и временемнарастания 200–300 нс. Во включенном состоянии через разрядную ячейкукаждые полпериода проходит импульс тока длительностью менее 100 нс.Несмотрянарядпрекрасныххарактеристик,излучательнаяэффективность ПДП переменного тока остается низкой по сравнению сэлектронно-лучевыми трубками (ниже ~в 3 раза) и требует улучшения [31*].Существенной частью улучшения технологии ПДП является пониманиеосновных физических процессов динамики плазмы, распределения энергииэлектронов и взаимодействия плазмы с поверхностью. Малые размеры ПДПячеек и короткие времена горения разряда делают экспериментальнуюдиагностику очень сложной.6Несмотря на сложность экспериментальных исследований, в последниегоды была проведена оптическая диагностика плазмы в ПДП ячейках.