Берлин Е. - Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок (1051243), страница 25
Текст из файла (страница 25)
ГЛАВА 36 (16.2) 1азЕпЕ+ газЕ„Е, +Л„2, =О, Е„+ У„~2э (16.3) и индуцируемый в плазме ток Ег Ец 1,= —— Егг + ~ю 0аз (16.4) ~=1аз Е„,— — + 1„1,„1 Л„~,Е„ Е ! Е'„ (16.5) ушЕ„,1 ~- увТ„,Г, = Ег (!6.1) ВОЗБУЖДЕНИЕ ВЧ ПОЛЯ В ТСР-РАЗРЯДЕ Электрическое поле, создаваемое индуктивной антенной (1СР и ТСР-разряды), в случае идеальной антенны содержит только компоненту электрического поля параллельную к границе плазмы, поэтому не создает дополнительного напряжения на слое.
Поэтому авто- смещение плазмы в индуктивном разряде оказывается существенно меньше, чем в емкостном, что является его главным преимуществом. Кроме того, при увеличении площади обрабатываемой поверхности емкость разряда оказывается слишком большой, что затрудняет согласование емкостного разряда с генератором. Главным этапом создания ТСР-устройств является изучение физических явлений, лежащих в основе работы данной системы генерации плазмы и определяющих и рабочих параметров.
Исследования показали, что эти явления различны в момент возбуждения разряда и в стационарном рабочем режиме. Рассмотрим стационарный режим разряда. После формирования разряда, когда глубина проникновения ВЧ-поля в плазму Л=с/в, (го„,=ле / е,т — плазменная частота) становится много меньше поперечного размера области плазмы, разряд переходит в ТСР-режим. В этом режиме плазма поддерживается током, индуцированным в ней внешней антенной. Качественная оценка характеристик подобной системы может быть сделана на основе рассмотрения плазмы как идеального проводника.
В этом случае магнитное поле, создаваемое индуцированным в плазме током, можно описать как поле тока, расположенного симметрично току антенны относительно границы плазмы и направленного в противоположную сторону. Обозначив ток в антенне 1„а индуцированный в плазме ток 1„можно составить эквивалентную схему ТСР-устройства в виде индуктивно связанных токов. Для этого случая уравнения токов 1, и 1, имеют вид: Г 1б.З бу В ВЧ 7ЕР цд 139~ где ń— индуктивность ненагруженной антенны; ń— индуктивность вторичной обмотки (тока индуцированного в плазме); ӄ— импеданс нагрузки (учитывающий потери в плазме); Е„и ń— коэффициенты, отражающие взаимную связь тока в антенне и индуцированного тока в плазме; Е' — напряжение на антенне. Решение системы уравнений (1) — (2) позволяет найти импеданс антенны 2;=О/1, в виде В отсутствии нагрузки (плазмы) с = ~ и е = тдЕ„.
Характеристики нагруженной системы зависят от соотношения Еп и Ееа а также коэффициентов взаимной индукции Е„и Егг Как известно [351, выполнЯетсЯ соотношение ЕпЕм> Е„Его пРичем Равенство может иметь место, если магнитные потоки через первичную и вторичную обмотки совпадают. Это возможно при применении магнитного сердечника (трансформатор), либо при совпадении пространственного распределения тока первичной и вторичной обмоток, то есть тока антенны и индуцированного тока в плазме для нашего случая. Если плотность плазмы велика (У «2азЕ„), то из (3) следует Таким образом, если ЕпЕ„я Е„Еев то антенна имеет не скомпенсированный индуктивный импеданс.
Именно наличие этого импеданса приводит к необходимости в стандартных ТСР-источниках увеличивать напряжение на антенне в рабочем режиме до нескольких киловольт, что ведет к дополнительным потерям энергии в антенне. В соответствии с (16.4), этот импеданс ограничивает ток, индуцируемый во вторичной обмотке (плазме). 1 =1 =4 -Л1 (16.7) (2.)г1 где Л1. =Н, Н.А 1п~ — ~ (Гн). г (16.8) (16.9) а (16.5) можно переписать в виде ~~~~ИО Чаегвь 2.
Глава 1б. Возбугпдепив ВЧ поли в ТСР-разоядве Для уменьшения импеданса необходимо увеличивать степень индуктивной связи токов, текущих по антенне и по плазме, Пути увеличения этой связи можно понять, рассмотрев плазму как идеальный проводник, а антенну — как кольцо радиуса В из проводника с сечением радиуса г, находящегося на расстоянии (г над этим идеальным проводником (рнс. 16.1). В этом случае распределение токов по поверхности проводника таково, что создаваемое им поле может быть рассмотрено как поле тока, текущего внутри проводника симметрично току антенны относительно границы проводника.
Индуктивности кольцевых токов 1, и 1 могут быть оценены по следующим формулам (в предположении, что ток течет по поверхности кольца) [36 — 371: (8 Я) 1гг 1пг Но'Н'В' 1п'1 ~ 2 (Гн). (16.6) Ряе. 16.1. Геренация поля в плазме индуктивной антенной, 1 — возбуждающая поле кольцевая антенна, ло которой протекает электрический ток. 2 — индуцируемый в плазме переменный ток. 3 — граница плазмы. 4 — силовые линии магнитного поля,создаваемого током антенны и индуцированным током. Я вЂ” ралиус кольцевой антенны, г — радиус проводника, из которого она выполнена.
Г гб.В б д Вг гсг ы* 1Д Коэффициент взаимной индукции можно оценить для условия г«)г«Я. В этом случае, считая поле вблизи проводника полем прямого тока, и оценив магнитный поток, проходящий в пространстве между кольцами, получим: С учетом (16.6) и (16.8), формула (16.7) примет вид 1„=1и=Н, Н.В. 1п „2 (Гн), Из формул (16.7) — (16.9) следует, что для увеличения коэффициента связи и, тем самым, компенсации индуктивного импеданса необходимо уменьшать расстояние между индуцирующим витком и плазмой. Реальным физическим ограничением этого размера, при достижении которого наблюдается существенное увеличение коэффициента связи между током антенны и индуцированным током в плазме, следует считать глубину проникновения поля в плазму Л в рабочем режиме, так как в плазме, в отличие от идеального проводника, индуцируемый ток распределен по ее поверхностному слою толщиной порядка Л (для электронной плотности 1О" см-' получаем Л=1,7 см, а для!0" см ' — Л=О,51 см). Тем не менее, дальнейшее уменьшение расстояния между антенной и границей плазмы также ведет к росту коэффициента связи, хотя и не такому значительному, как при движении с расстояний, больших Л.
Реальным конструктивным ограничением размера, до которого можно уменьшать расстояние между антенной и плазмой, следует считать толщину диэлектрика, разделяющего антенну и плазму. Эта толщина определяется термомеханической, химической и электрической прочностью экранирующего диэлектрического материала.
Поэтому прочностные характеристики окон из диэлектрика выходят на первый план в конструкциях ТСР-источников, где окно разделяет антенну, находящуюся на атмосфере, и вакуумный объем. Кроме создания тока в плазме, помещенная внутрь рабочей камеры антенна способна наводить паразитные токи на металлических стенках рабочей камеры.
Для объяснения условий, при которых эти токи не существенны, рассмотрим магнитное поле, создаваемое совместно токами, текущими по антенне и по плазме. При больших плотностях электронов и расположении антенны вблизи поверхности плазмы магнитные поля этих токов взаимно компенсируют друг друга.
Результирующее магнитное поле, создаваемое этими токами на расстоянии Н, превышающем расстояние между током в антенне и током в плазме, резко спадает при удалении от антенны (пропорционально 1/Н'). В реальной системе такой спад магнитного поля начинается при удалении от антенны на расстояние, равное сумме расстояния от антенны до границы плазмы и глубины проникновения поля в плазму (т.
е. Н>Ь+Л). Эксперименты показали, что наведенные в камере токи практически не сказываются на характеристиках антенны в рабочем режиме, если она удалена от металлической поверхности рабочей камеры на расстояние, большее утроенной глубины скин-слоя. Одной из проблем при разработке газоразрядных систем, в которых потенциальный электрод размещается внутри рабочей камеры, является предотвращение процессов плазмообразования между электродом и близлежащими стенками камеры (или фланцем, на котором размещается электрод).
В ТСР-устройстве пробой промежутка между антенной и стенкой камеры приводит к уменьшению эффективности процесса плазмообразования в рабочей области между антенной и подложкодержателем, поскольку на пробой в нерабочей области тратится дополнительная энергия, что в целом снижает эффективность работы ТСР-источника. Вероятность пробоя зависит от величины зазора, электрического поля, давления газа, формы поверхностей. Поскольку расстояние между антенной и поверхностью рабочей камеры обычно существенно меньше, чем расстояние от антенны до подложкодержателя, то при низких давлениях, когда длина свободного пробега ионизирующих электронов достаточно велика, генерация плазмы происходит преимущественно в области между антенной и подложкодержателем.
Вероятность процессов ионизации существенно снижается также изза высокого значения электрического поля в сравнительно малом за- зоре между антенной и стенкой камеры (при очень сильных полях уменьшается сечение ионизации газа электронами). Тем не менее, при сравнительно высоких давлениях газа пробои в нерабочих областях вакуумного объема возможны. Для исключения этого эффекта достаточно заполнить пространство между антенной и поверхностью рабочей камеры твердым диэлектриком (полностью или частично). Влияние частичного заполнения пространства диэлектриком связано с увеличением вероятности рекомбинации электронов и ионов на диэлектрике. Это уменьшает время жизни электрона в зазоре и увеличивает поле, необходимое для поддержания плазмы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
