Исследование процессов в плазме высокочастотных емкостных разрядов низкого давления, возбуждаемых на одной и двух частотах (1103208)
Текст из файла
Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваНаучно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. СкобельцынаНа правах рукописиВолошин Дмитрий ГригорьевичИсследование процессов в плазме высокочастотныхемкостных разрядов низкого давления,возбуждаемых на одной и двух частотах01.04.08 – физика плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена в отделе микроэлектроники НИИ Ядерной физики имени Д.В.Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,Рахимова Татьяна ВикторовнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор,Александров Андрей Федорович(Физический факультет МГУ имени М.
В.Ломоносова, г. Москва)доктор физико-математических наук,Филиппов Анатолий Васильевич,(Троицкий институт инновационных итермоядерных исследований, г. Троицк)Ведущая организация:Санкт-Петербургский государственныйполитехнический университетЗащита состоится 27 апреля 2011 г. в 15 часов на заседании совета по защитедокторских и кандидатских диссертаций Д.501.001.45 при Московском ГосударственномУниверситете имени М. В. Ломоносова, расположенном по адресу: 119991, Россия,г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 5, НИИ ядерной физики имени Д.
В. СкобельцынаМГУ имени М. В. Ломоносова (19-й корпус), аудитория 2-15.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ядерной физики имени Д. В.Скобельцына МГУ имени М. В. Ломоносова.Автореферат разослан 23 марта 2011 г.Ученый секретарьсовета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.501.001.45,кандидат физико-математических наукВохник О. М.2Общая характеристика работыАктуальность работы. Интерес к изучению неравновесной низкотемпературнойплазмы газовых разрядов связан с ее интенсивным использованием в современнойтехнологии.
Это и обработка материалов в плазменных реакторах, которая включает в себя:травление, очистку, напыление (получение материалов с заданными свойствами), иполучение интенсивных источников излучения.Современныеисследованиявобластимасштабированияполупроводниковыхприборов направлены на решение проблемы создания структур на субмикронном уровне.Выполнение этой задачи требует решения многих сложных фундаментальных итехнологических проблем. Плазменное травление является важнейшим звеном в решениипроблемы.
В плазменных реакторах анизотропность травления достигается за счет того, чтоионы в электрическом поле в приэлектродном слое ускоряются в направлении,перпендикулярном электроду. Скорость процессов определяется величиной потока ионов ирадикалов из плазмы, которая непосредственно зависит от плотности плазмы. Селективностьпроцессов травления обеспечивается за счет плазмохимических процессов на поверхностиобрабатываемого материала. В этом заключается уникальность использования плазмы втехнологии, совокупность физических и химических свойств которой позволяет производитьмеханическое воздействие за счет ускоренных ионов, приводящее к распылениюобрабатываемой поверхности; добавляя различные газы, можно добиться необходимыхплазмохимических процессов на поверхности обрабатываемого образца.На данный момент наиболее изучены процессы в ВЧ емкостной плазме,возбуждаемой на частоте 13,56 МГц.
Детальное исследование самоорганизации такойплазмы осуществлялось в условиях разрядной ячейки GEC Reference Cell [1], когдаплотность плазмы не превышала 1010 см-3.В настоящее время идет поиск плазменных систем для нового поколения реакторовтравления субмикронных структур при высокой скорости, анизотропии и селективностипроцесса. Для этого необходимо создать плазму высокой плотности (порядка 1011 см-3), атакже должна существовать возможность эффективного управления энергией ионов,воздействующих на подложку.
Для функционального разделения этих процессов в последнеевремя стали использовать плазму, возбуждаемую ВЧ емкостными разрядами на двух сильноразнесенных частотах (ДЧВЧЕразряды).В такихразрядах плотностьплазмыконтролируется высокой частотой, а энергия ионов – низкой. Диапазоны изменения низкой(НЧ) и очень высокой (ОВЧ) частот мегагерцового диапазона лежат в пределах от 0,5 до13,56 МГц и от 27 до 160 МГц, соответственно [2].3Одно из главных применений ВЧ емкостной плазмы – травление диэлектрическихматериалов [2]. Травление новых диэлектрических материалов с низкой константойдиэлектрической проницаемости (low-k материалы), являющихся пористыми материалами,необходимо проводить с прецизионной точностью для минимизации дефектов в процессетравления.
Поэтому для травления таких материалов исследуется возможность примененияплазмы ДЧ разряда [3].Известно, что для правильного и адекватного описания процессов травлениянеобходимо знать плотность электронов, ионов, радикалов и энергию ионов на поверхностиобрабатываемого материала в плазме сложного состава [2]. Например, процессыанизотропноготравленияlow-kматериаловидутвофторуглероднойилифторуглеводородной плазме, где буферным газом является аргон.
В плазме фторуглеродовбольшую роль в установлении параметров плазмы играет образование полимернойфторуглеродной пленки на поверхности обрабатываемых образцов (электродов). Реакции наповерхности (стенках камеры) с участием фторуглеродных радикалов приводят к роступленки [2]. При этом разрушение пленки атомарным фтором и ионами ведет, наоборот, квыходу полимерных фторуглеродных частиц (молекул) в газовую фазу. Этот процесс вомногом определяет баланс фторуглеродных радикалов в объеме плазмы.Управление энергией и потоком ионов и процессом образования активных частиц вплазме является одним из ключевых звеньев в процессе травления.
В связи с этим, дляуправления параметрами плазмы в ВЧЕ реакторах нового поколения, возбуждаемыходновременно на низкой (∼ 2 МГц) и высокой (∼ 27 – 81 МГц) частотах, необходимоисследование особенностей самоорганизации плазмы, как раздельно на каждой из частот, таки в двухчастотном режиме, в зависимости от параметров разряда и от состава газовой смеси.Целью диссертационной работы является исследование процессов в плазмевысокочастотных емкостных разрядов низкого давления, возбуждаемых на одной (1,76, 27 и81 МГц) и двух (1,76 МГц – 27 МГц, 1,76 МГц – 81 МГц) частотах. Для данногоисследования был создан ряд моделей движения частиц в плазме, сконструированы ипротестированы наборы сечений рассеяния электронов в сложных газах и разработана ипротестирована на экспериментальных данных кинетика процессов в сложных газовыхсмесях.Научная новизна работы состоит в следующем.
Разработана самосогласованнаямодель емкостного разряда на основе метода «Частиц в Ячейке» с Монте-Карлостолкновениями (МЧЯ МК), в которой в кинетическом подходе рассматривается движение нетолько электронов и ионов, но и быстрых нейтральных частиц, что позволяет адекватно4описывать поверхностные процессы на электроде. Впервые получен аналитический видфункции распределения ионов по энергии в двухчастотном разряде в промежуточномчастотномдиапазоне,которыйреализуетсявбольшинствереальныхприложенийдвухчастотного разряда.
Создана полуаналитическая модель движения ионов в слое,позволяющая проводить экспресс-диагностику ионного спектра с учетом столкновенийионов с нейтральными частицами. Разработан самосогласованный набор сечений рассеянияэлектронов на молекуле CHF3 и выявлены особенности кинетики разряда в смесях Ar/CHF3 иAr/CF4.Практическая значимость. Расчеты, проведенные в данной работе, позволилиобъяснить ряд особенностей электронной и плазмохимической кинетики в разрядах и газовыхсредах, широко используемых в современных технологиях.Исследование кинетики ионов и электронов в плазме одночастотных и двухчастотныхразрядов является необходимым этапом для создания адекватных моделей, позволяющихрассчитывать сложные плазмохимические реакторы для различных процессов в технологии.На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:• Набор сечений рассеяния электронов на молекуле CHF3, описывающий транспортныехарактеристики как в чистом газе, так и в смесях с аргоном, а также согласующийся симеющимися экспериментальными данными по диссоциации и ионизации CHF3;• Сравнение существующих наборов сечений рассеяния электронов на молекуле CF4 срезультатами их использования при моделировании транспортных характеристик;• Объяснение влияния динамических эффектов в слое в случае низкочастотного разрядана несинусоидальность разрядного тока в симметричном ВЧ разряде;• Результаты исследования влияния поверхностных процессов на электроде напараметры плазмы;• Результаты самосогласованного расчета по методу «Частиц в Ячейке» с Монте-Карлостолкновениями одночастотного разряда 1,76 МГц, 27 МГц, 81 МГц,двухчастотногоразряда 1,76 МГц – 81 МГц и 1,76 МГц – 27 МГЦ в аргоне, а также высокочастотногоразряда 81 МГц в смесях Ar/CHF3 и Ar/CF4 с указанием особенностей плазмохимическихреакций в данных смесях;• Аналитическая модель функции распределения ионов по энергии (ФРИЭ) вдвухчастотном разряде в промежуточном частотном режиме;• Результаты полуаналитического моделирования спектров ионов на электроде вдвухчастотном разряде и их сравнение с самосогласованными расчетами;5• Критерии разделения функций двух частот с точки зрения возможности контроляэнергии ионов независимо от мощности на высокой частоте и с точки зрения возможностиконтроля плотности плазмы независимо от мощности на низкой частоте.Апробация работы была проведена в процессе публикаций и докладов результатовработы на ряде российских и международных конференций.
Материалы, изложенные вдиссертации, докладывались на следующих конференциях:-Международнаяконференциястудентов,аспирантовимолодыхученыхпофундаментальным наукам "Ломоносов-2005", Москва, Россия, 2005;- IV Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, Звенигород,2005;- International Workshop and Summer School on Plasma Physics, Китен, Болгария, 2005;- Всероссийская конференция по физике низкотемпературной плазмы ФНТП—2007,Петрозаводск, Россия, 2007;- XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Прага, Чехия, 2007;- Third International Workshop and Summer School on Plasma Physics, Китен, Болгария, 2008;- 19th International Symposium on Plasma Chemistry, Бохум, Германия, 2009;- 59th Annual Gaseous Electronics Conference, Париж, Франция, 2010;-IVВсероссийскаяШкола-семинар.Инновационныеаспектыфундаментальныхисследований.
Звенигород – Москва, 2010;Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 22 печатных работах, изних: 7 статей в рецензируемых журналах [A1 - A7], 10 статей в сборниках трудовконференций [A8 - A17] и 5 тезисов докладов [A18 - A22].Личныйвкладавтора.Содержание диссертациииосновные положения,выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы.Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами,причем вклад диссертанта был определяющим.
Все представленные в диссертациитеоретические и численные результаты получены лично автором. Автором разработанымодели расчета функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) и кинетическихкоэффициентов при движении в постоянном электрическом поле на основе метода МонтеКарлоиполуаналитическаяСамосогласованнаямодельмодельдвиженияионовна основе метода Частицввприэлектродномслое.Ячейке с Монте-Карлостолкновениями [4] была расширена автором на случай кинетического описания движенияионов, что позволило правильно описывать поведение плазмы в разрядах низкого давления20 – 45 мТор.6Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзоралитературы, 5 глав, заключения и библиографии.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
