Автореферат (Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле), страница 3

Длякомпенсации магнитного потока, параллельного измеряемому току, быловыполнено «обратное кольцо». Зонды помещались в заземленный корпус,закрепленный на заземленной медной полой трубке, выведенной из источникаплазмы через технологические отверстия, выполненные в фланцах A и D.Выводы – провода магнитного зонда и пояса Роговского – переплетались ипропускались через медную трубку. Сигнал с проводов пропускался черезтрансформаторную развязку, помещенную в заземленный стальной корпус состенками толщиной 2 мм для исключения емкостных наводок внутри цепи.После трансформаторной развязки сигнал поступал на ВЧ изолированный 50Ом-кабель, с которого считывался с помощью селективного вольтметра «В610». Данный прибор позволял выборочно измерять сигнал на частоте от 0.1 до30 МГц с шириной области пропускания сигнала в 1 кГц.Для определения фазы измеряемой компоненты ВЧ тока или ВЧмагнитного поля относительно тока, текущего через антенну, использовалсяцифровой двухканальный осциллограф, на один из каналов которогоподавался сигнал с пояса Роговского, измеряющего ток антенны, на другой –сигнал с диагностического зонда.

Прибор позволял по смещению вовременной развертке определять сдвиг сигнала зонда относительно токаантенны. Используя значение рабочей частоты, определялся сдвиг фазы вградусах.Эксперименты проводились в разряде в аргоне и гелии при давлениях от0.07 до 74 мТор при мощностях ВЧ генераторов до 600 Вт, работающих начастотах 2, 4, 13.56 МГц. Величина индукции внешнего магнитного поля приэтом менялась от 0 до 70 Гс. Для выбранных условий выполнялисьнеравенства LieLe, при которых возможно резонансноевозбуждение в объеме источника геликонов и косых ленгмюровских волн.10В третьей главе приведены результаты исследования аксиальногораспределения параметров плазмы: зондового ионного тока насыщения,концентрации и температуры электронов, а также пространственногопотенциала в зависимости от внешних условий.Экспериментальные исследования разряда в двухкамерном источникеплазмы, выполненные на частотах 4 и 13.56 МГц при давлении аргона ниже 1мТор и мощностях ВЧ генератора PGen более 100 Вт, показали, что наложениеоднородного магнитного поля приводит к существенным изменениямпротяженности разряда.

При отсутствии магнитного поля разрядконцентрируется в верхней газоразрядной камере. Увеличение величинымагнитного поля при давлениях аргона менее 1 мТор сначала приводит кпоявлению плазмы в верхней части нижней газоразрядной камеры, затемдлина интенсивно светящейся части разряда в нижней камере начинает расти,и, наконец, разряд замыкается на нижней фланец, формируя протяженныйплазменный столб.

Диаметр плазменного столба примерно равен диаметруверхней газоразрядной камеры. Изменение конфигурации магнитного поляпозволяет управлять положением плазменного столба, в том числе создаватьширокую область вблизи предполагаемого места расположенияобрабатываемых подложек. При давлениях более 1 мТор формированияпротяженного плазменного столба не происходит, причем длина яркосветящейся части разряда уменьшается с ростом давления.Было показано, что превышение некоторой критической для каждогонабора внешних условий величины магнитного поля B* приводит к переходуразряда в моду с низкой интенсивностью свечения или его погасанию (срывуразряда).

Причем пороговое значение B* смещается в сторону большихмагнитных полей при увеличении рабочего давления, рабочей частоты имощности ВЧ генератора.Для первичного исследования физических процессов в источнике плазмыизмерялось аксиальное распределение зондового ионного тока насыщения i+ взависимости от величины индукции внешнего магнитного поля B приразличных комбинациях внешних условий. Было показано, что в случаях,когда длина свободного пробега электрона была сопоставима или превышалагеометрически размеры источника, рост внешнего магнитного поля приводилк существенному изменению аксиального распределения i+. Так, при работе начастотах 4 и 13.56 МГц величина ионного тока насыщения в технологическойкамере с определенного значения B начинала превышать соответствующиезначения в ГРК, т.е.

наблюдался эффект «перекачки» ионного тока (см. рис.2).Для количественного анализа эффекта перераспределения плазмы вобъеме источника было выбрано отношение  максимального значенияионного тока насыщения в ГРК к ионному току в технологической камере,I ( z  16cm)(2)I ( z  36cm)а для оценки привлекательности конфигурации условий для последующихпрактических применений – абсолютная величина зондового ионного тока11насыщения в технологическом объеме источника.Анализ экспериментальных данных показал, что наиболее существенноеувеличение  происходит при увеличении рабочей частоты от 2 до 4 МГц, атакже при уменьшении рабочего давления. Изменение мощности ВЧгенератора слабо влияет на зависимость (B).

Наибольшие абсолютныезначения i+ в области технологической камеры достигаются прииспользовании рабочей частоты 4 МГц (рис.3).0.7мТор, 400Вт - 4МГц2,52,0I (мА)43.2 Гс57.6 Гс0 Гс14.4 Гс28.8 Гс1,51,00,50,001020304050Z (см)Рис.2. Типичный вид зависимости аксиального распределения зондового ионноготока насыщения от индукции внешнего магнитного поля2МГц, 400Вт, аргон400Вт, 0.7мТор, аргон0.07мТор0.7мТор1.5мТор0,42МГц4МГц13.56МГц2,52,00,31,50,21,00,10,50,00,0010203040500B (Гс)20406080B (Гс)а)б)Рис.3. Влияние а) рабочего давления и б) рабочей частоты на эффектперераспределения плотности плазмыДетальныезондовыеизмеренияподтвердилисуществованиеперераспределение параметров плазмы с увеличением магнитного поля вслучае, когда наблюдается формирование ограниченного в радиальномнаправлении плазменного столба. При этом было обнаружено, что в областисочленения газоразрядной и технологической камер при условиииспользования металлического разделительного фланца, наблюдаютсялокальные минимумы концентрации, температуры электронов и потенциалапространства (рис.4).

Рост магнитного поля приводит к выравниванию12аксиального распределения потенциала и параметров плазмы.4МГц, 250Вт, 0.7мТор4МГц, 250Вт, 0.7мТор4,0x10100Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс503,5x1010400Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс2,5x1010102,0x101,5x10101,0x101030Vs (В)ne (см-3)3,0x101020105,0x10900,0-1001020304005010Z (см)20304050Z (см)б)а)4МГц, 300вт, 18мТор, гелий100Гс12Гс36Гс60ГсTe (эВ)9876501020304050Z (см)в)Рис.4. Аксиальное распределение а) концентрации электронов, б) потенциалапространства и в) температуры электронов при условиях, когда формируетсяплазменный столбБыло выдвинуто предположение, что локальные минимуму в областисочленения камер связаны с формированием паразитной емкости междуантенной и разделительным фланцем. Для проверки указанной гипотезыразделительный металлический фланец был заменен на диэлектрический.Использование диэлектрического фланца привело к исчезновению провала ик увеличению концентрации плазмы в газоразрядной камере вследствиеисключения паразитного емкостного канала разряда (рис.5).133,20 Гс3,2с медной шинойбез шиныоргстекло2,82,4с медной шинойбез шиныоргстекло2,42,02,0I (мА)I (мА)43.2 Гс2,81,61,61,21,20,80,80,40,40,00,00102030405001020Z (см)304050Z (см)а)б)Рис.5.

Влияние материала фланца на аксиальное распределение зондового ионного токанасыщения при внешнем магнитном поле а) 0 Гс и б) 43 Гс.При условиях, когда не происходит формирования плазменного столба,что имеет место, когда длина свободного пробега мала, используется низкаярабочая частота или расходящаяся в области технологической камерыконфигурация внешнего магнитного поля, возникает градиент концентрацииот ГРК к технологической камере и сопутствующее распределениеамбиполярного потенциала, которое замедляет электроны и ускоряет ионы внаправлении от ГРК к технологической камере (рис.6). Разность междумаксимальным значением потенциала Vs в газоразрядной камере иминимальным значением Vs в технологической камере достигала 50 В, чтодолжно приводить к появлению быстрых ионов при z > 25 см.13.56МГц, 150Вт, 3мТор, аргон13.56МГц, 150Вт, 3мТор, аргон0Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс2x10100Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс20Vs (В)ne (см-3)3x1010101x101000010203040500Z (см)102030Z (см)а)б)144050813.56МГц, 150Вт, 3мТор, аргон12 Гс36 Гс60 ГсTe (эВ)7654301020304050Z (см)в)Рис.6.