Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления

В данной работе представлены результаты экспериментального исследования ВЧ емкостного разряда в SF₆, NF₃ и SiH₄ низкого давления. У роботі наведено результати експериментального дослідження ВЧ ємнісного розряду у SF₆, NF₃ та SiH₄ низького тиску. This paper presents the results of experimental stud...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Физическая инженерия поверхности
Datum:	2006
1. Verfasser:	Лисовский, В.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2006
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98793
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України / В.А. Лисовский // Физическая инженерия поверхности. — 2006. — Т. 4, № 3-4. — С. 143–168. — Бібліогр.: 77 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98793
record_format	dspace
spelling	Лисовский, В.А. 2016-04-17T19:40:46Z 2016-04-17T19:40:46Z 2006 Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України / В.А. Лисовский // Физическая инженерия поверхности. — 2006. — Т. 4, № 3-4. — С. 143–168. — Бібліогр.: 77 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98793 533. 915 В данной работе представлены результаты экспериментального исследования ВЧ емкостного разряда в SF₆, NF₃ и SiH₄ низкого давления. У роботі наведено результати експериментального дослідження ВЧ ємнісного розряду у SF₆, NF₃ та SiH₄ низького тиску. This paper presents the results of experimental studying rf capacitive discharge in low-pressure SF₆, NF₃ and SiH₄ . . ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления Дисоціативна мода вч ємнісного розряду низького тиску Dissociative mode in low-pressure rf discharge Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления
spellingShingle	Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления Лисовский, В.А.
title_short	Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления
title_full	Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления
title_fullStr	Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления
title_full_unstemmed	Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления
title_sort	диссоциативный режим вч емкостного разряда низкого давления
author	Лисовский, В.А.
author_facet	Лисовский, В.А.
publishDate	2006
language	Russian
container_title	Физическая инженерия поверхности
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format	Article
title_alt	Дисоціативна мода вч ємнісного розряду низького тиску Dissociative mode in low-pressure rf discharge
description	В данной работе представлены результаты экспериментального исследования ВЧ емкостного разряда в SF₆, NF₃ и SiH₄ низкого давления. У роботі наведено результати експериментального дослідження ВЧ ємнісного розряду у SF₆, NF₃ та SiH₄ низького тиску. This paper presents the results of experimental studying rf capacitive discharge in low-pressure SF₆, NF₃ and SiH₄ . .
issn	1999-8074
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98793
citation_txt	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України / В.А. Лисовский // Физическая инженерия поверхности. — 2006. — Т. 4, № 3-4. — С. 143–168. — Бібліогр.: 77 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT lisovskiiva dissociativnyirežimvčemkostnogorazrâdanizkogodavleniâ AT lisovskiiva disocíativnamodavčêmnísnogorozrâdunizʹkogotisku AT lisovskiiva dissociativemodeinlowpressurerfdischarge
first_indexed	2025-11-26T00:17:47Z
last_indexed	2025-11-26T00:17:47Z
_version_	1850599395650699264
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 143 Как известно [1 – 11], ВЧ разряд может го- реть в двух различных режимах: слаботочном (α-) и сильноточном (γ-режиме). В α-режиме электроны приобретают энергию для иони- зации атомов газа в ВЧ поле в квазинейтраль- ной плазме, при этом эмиссия электронов с поверхностей электродов в поддержании раз- ряда большой роли не играет. Проводимость приэлектродных слоев мала, а ток между плазмой и электродами замыкается в основ- ном током смещения. Однако авторы [6] с помощью гидродинамического моделирова- ния показали, что в α-режиме электроны за- полняют приэлектродный слой в течение его анодной фазы. В катодной фазе движущаяся граница расширяющегося слоя выметает эти электроны обратно в плазму, при этом они мо- гут приобретать энергию благодаря повы- шенному электрическому полю в слое. Моде- лирование [6] также показало, что скорость ионизации молекул газа электронами, выме- тенными расширяющейся границей слоя, значительно превышает скорость ионизации электронами, получившими энергию от ВЧ электрического поля в плазменном объеме. В γ-режиме в приэлектродных слоях разви- ваются электронные лавины, ионизация ато- мов газа электронным ударом происходит в основном вблизи границы приэлектродный слой – квазинейтральная плазма, при этом эмиссия электронов с поверхностей электро- дов существенно влияет на процесс размно- жения электронов и поддержание разряда. Приэлектродные слои в γ-режиме обладают значительной проводимостью и по характе- ристикам подобны катодному слою тлеющего разряда постоянного тока. Эксперименты [4, 5, 7, 11 – 13] и численные расчеты [7 – 10] показывают, что ВЧ разряд при средних дав- лениях газа переходит из α- в γ-режим резким скачком, при этом в несколько раз увеличи- ваются плотность плазмы в разрядном объеме и амплитуда ВЧ тока. При средних давлениях газа α-γ переход сопровождается полной перестройкой пространственной структуры ВЧ разряда (если в α-режиме плотность плаз- мы максимальна в центре разряда, то в γ-ре- жиме максимумы плотности плазмы наблю- даются вблизи границы приэлектродного слоя, а в центральной области разряда на осе- вом распределении плотности плазмы наблю- дается минимум). При промежуточных дав- лениях (p ∼ 1 Торр) ВЧ разряд переходит из α- в γ-режим плавно, без резких скачков [3, 7, 11]. При этом при достаточно больших расстояниях между электродами (> 1 см) в ВЧ разряде в инертных газах наблюдаются отри- цательная дифференциальная проводимость [2] и немонотонное поведение плотности плазмы в центральной области разряда [15] УДК 533. 915 ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В.А. Лисовский Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина Украина Поступила в редакцию 10.08.2006 В данной работе представлены результаты экспериментального исследования ВЧ емкостного разряда в SF6, NF3 и SiH4 низкого давления. Показано, что ВЧ разряд в этих газах может существовать не только в слаботочной (α-) и сильноточной (γ-) модах, но и в диссоциативной δ-моде. Эта δ-мода характеризуется высокой степенью диссоциации молекул газа, высокими плотностью плазмы, температурой электронов и активным током разряда, и является про- межуточной между α- и γ-модами. Причиной появления δ-моды является резкое увеличение скорости диссоциации молекул газа электронным ударом, начиная с некоторой пороговой величины ВЧ напряжения. При этом пороговая энергия ионизации образующихся радикалов (SFx x = 1 – 5, NFx x = 1 – 2 и SiHx x = 1 – 3) меньше потенциала ионизации молекул SF6, NF3 и SiH4. Показано, что существующий в анодной фазе приэлектродного слоя двойной слой играет важную роль в поддержании как α-моды, так и δ-моды, однако, он не является причиной перехода ВЧ разряда из α- в δ-моду. ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4144 (ток проводимости в цепи электродов и плот- ность плазмы в центре разряда с ростом ВЧ напряжения уменьшаются вплоть до окон- чательной перестройки разряда в γ-режим), в квазинейтральной плазме возникают низко- частотные плазменные шумы и колебания [15]. ОПИСАНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЕРИМЕНТА В нашей первой исследовательской камере (см. рис. 1) емкостный ВЧ разряд зажигался при частотах ВЧ поля f = 13,56 МГц и f = 27,12 МГц. Эксперименты проводились в ряде газов (SF6, NF3, SiH4) в диапазоне дав- лений p ≈ 0,01 – 10 Toрр при расстояниях между электродами L = 2 − 31 мм. Плоские параллельные электроды из алюминия имели диаметр 143 мм. ВЧ напряжение с амплиту- дой Urf < 1500 В от генератора подавалось через согласующее устройство к потенциаль- ному электроду, в то время как другой элект- род был заземлен. Электроды располагались внутри кварцевой трубки с внутренним диа- метром 145 мм. Исследуемый газ напускался внутрь камеры через маленькие отверстия в одном из электродов и затем откачивался через зазор между вторым электродом и стен- кой кварцевой трубки. Эта разрядная камера была полностью окружена заземленной сеткой и помещалась внутри большой зазем- ленной камеры диаметром 315 мм и высотой 231 мм (см. рис.1). Заземленная сетка, кварце- вая трубка вокруг электродов и более низкое давление газа (на 1 – 2 порядка величины) в большой камере препятствовали зажиганию самостоятельного ВЧ разряда в ней. Внешняя камера имела достаточно большое окно из кварцевого стекла, позволяющее наблюдать поведение разряда в различных режимах го- рения. ВЧ напряжение Urf измерялось с помощью так называемого “ВЧ зонда” (RF probe Z’SCAN, Advanced Energy). Этот ВЧ зонд рас- полагался на минимально возможном рас- стоянии от ВЧ электрода. Z’SCAN позволял регистрировать не только величины ВЧ напряжения, ВЧ тока, угла сдвига фазы между током и напряжением ϕ и активную ВЧ мощ- ность для основной частоты, но также вели- чины ВЧ напряжения и тока для шести гар- моник. Мы использовали ВЧ генератор RF5S (RF Power Products Inc.) с номинальной мощ- ностью 500 Вт и согласующее устройство PFM matching box (Huettinger Elektronik GmbH) L-типа. В ряде экспериментов исполь- зовался также ВЧ генератор Advanced Energy с номинальной мощностью 2 кВт. Давление газа измерялось с помощью ем- костных манометров-баратронов (MKS Inst- ruments) для 10 и 1000 Toрр. Напуск газа уста- навливался в диапазоне 5 – 100 см3/мин с по- мощью контроллера потока, а давление газа регулировалось с помощью контроллера дав- ления газа, автоматически поддерживающим выбранную фиксированную величину давле- ния газа в камере. Квадрупольный масс-спектрометр QMS 421 (Balzers) позволял анализировать состав нейтрального газа, выходящего из разрядной камеры в систему откачки. Ряд экспериментов был выполнен также с другой установкой (рис. 2). Эксперименты проводились в диапазоне давлений газа (SF6 и его смеси с кислородом) p = 0,05 – 0,6 Торр в диапазоне амплитуды ВЧ напряжений Рис. 1. Камера с симметричными электродами. Рис. 2. Асимметричная замкнутая камера. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 145 Urf ≤ 500 В и частоте ВЧ поля f = 13,56 МГц. ВЧ разряд зажигался между двумя плоскими параллельными электродами диаметром 12 см и зазором между ними 3 см. ВЧ мощ- ность с заданной частотой создавалась гене- ратором сигналов (Marconi Instruments), под- ключенным к усилителю мощности 150 Вт (Amplifier Research, 150A220). ВЧ напряже- ние подавалось на верхний электрод через согласующее устройство L-типа. Обратная сторона ВЧ электрода была заэкранирована с помощью заземленного экрана, который препятствовал зажиганию разряда за ВЧ электродом. Нижний электрод был заземлен, а плазма в зазоре между электродами ограни- чивалась цилиндрической стальной сеткой, прикрепленной к заземленному экрану. Вели- чины ВЧ напряжения и тока измерялись с по- мощью ВЧ датчика (Coaxial dynamics 87004) и токового зонда (Eaton 91550), установлен- ных на вводе мощности вблизи ВЧ электрода, и регистрировались с помощью цифрового осциллографа. Измеритель мощности, уста- новленный между усилителем и согласую- щим устройством, позволял определить ак- тивную мощность. Площадь ВЧ электрода была в 2 раза меньше площади заземленных поверхностей (электрода и сетки). Температура электронов Те и потенциал плазмы определялись с помощью одиночного цилиндрического зонда из платины (длиной 6 мм и диаметром 0,18 мм), установленном в центре разряда, при этом ось зонда была па- раллельной поверхности электродов. Ленг- мюровский зонд (SmartProbe, Scientific Sys- tems) содержал ВЧ компенсацию для частоты 13,56 МГц. Компенсационный электрод (the reference probe) имел площадь 3,5 см2, шунти- рующая емкость была равна 50 пФ. Блоки- рующий импеданс зондовой цепи превышал 100 кОм для 13,56 МГц. Температура элект- ронов Те определялась из зондовых вольт-ам- перных характеристик (из угла наклона ли- нейного участка на зависимости электрон- ного тока на зонд от напряжения на зонде, построенном в полулогарифмическом масш- табе). Видимое излучение из центра разряда с помощью линз направлялось на щель моно- хроматора с фотоумножителем. С помощью этого монохроматора, в частности, проведены измерения интенсивности свечения линий атомных фтора и кислорода с длинами волн 7037,5 C и 7770 C , соответственно. ВЧ РАЗРЯД В SF6 Элегаз (шестифтористая сера) (SF6) является искусственным газом, который широко ис- пользуется в энергетике, производстве полу- проводниковых устройств, как реактивный газ при повторной обработке алюминия для уменьшения его пористости, тепловой и зву- ковой изоляции, шинах самолетов, подвод- ном плавании, каналах сверхзвукового потока газа и т.д. [16]. ВЧ емкостный разряд в SF6 широко при- меняется в технологических процессах трав- ления кремнийсодержащих материалов (кремний, поликремний, нитрид кремния, кремний-германиевые соединения), титана, вольфрама и нитрида вольфрама, арсенида галлия GaAs, пьезоэлектрических материа- лов, обработки полиэтиленовых пленок и текстиля, очистки стенок технологических камер от продуктов травления или осаждения и т.д. Поэтому экспериментальному и теоре- тическому исследованию ВЧ разряда в SF6 посвящено большое количество работ. Ко- ротко рассмотрим основные результаты, по- лученные другими авторами. Picard et al. [17] идентифицировали нейт- ральные молекулы, положительные и отрица- тельные ионы, выходящие из ВЧ разряда в SF6 и их концентрации с помощью масс-спек- трометра и ленгмюровского зонда как функ- ции давления газа, напуска газа и ВЧ мощ- ности. Kline [18] использовал Монте-Карло код и решение уравнения Больцмана, чтобы изучить кинетику электронов в ВЧ разряде низкого давления в SF6. Данная модель ис- пользовалась для количественных оценок производства химически активных молекул и параметров их переноса, а также скорости травления кремния. Anderson et al. [19] с помощью анализа уравнения Больцмана по- лучили временные зависимости функций рас- пределения электронов по энергиям при по- стоянных мощности и давлении смеси В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4146 SF6/O2 с изменением концентрации кислоро- да. Maundrill et al. [20] с помощью ВЧ компен- сированного зонда получили, что отрицатель- ные ионы играют важную роль в плазме, в которой плотность положительных ионов Ni превышает электронную Ne. Suganomata et al. [21] исследовали пространственно-времен- ное изменение эмиссии света из SF6 плоско- параллельного разряда при частотах 100 кГц и 500 кГц. Они получили, что при частоте 500 кГц эмиссия света была более интенсив- ной вблизи мгновенного анода, чем из отри- цательного свечения. Bletzinger [22] измерил электрические характеристики ВЧ разряда в смесях аргона с электроотрицательными газа- ми (SF6, CF4 и C2F6) и получил, что наличие прилипания электронов к молекулам газа приводит к значительному увеличению импе- данса разряда и сдвигает кривую α-γ перехо- да разряда в область более низких давлений. Измерение электрического поля в приэлект- родном слое показало, что добавка электро- отрицательных молекул увеличивает напря- женность электрического поля на порядок величины. Radovanov et al. [23] использовали оптическую эмиссионную спектроскопию для изучения ВЧ разряда в SF6 и его смеси с аргоном Ar и/или N2 и получили аномальное поведение интенсивности линий излучения с изменением мощности (в приэлектродных слоях и плазме интенсивности линий света вели себя по-разному). Utagikar et al. [24] из- мерили электронную и ионную концентра- ции в низкочастотном 100 кГц SF6 разряде. Kakuta et al. [25] экспериментально ис- следовали электрические характеристики ВЧ разряда в SF6 и его смесях с N2. С помощью измеренных пространственно-временных профилей оптической эмиссии была проана- лизирована кинетика процессов, приводящих к различным наблюдаемым характеристикам. Вольт-амперные характеристики при 13 МГц имеют два различных участка, между кото- рыми наблюдался переход, похожий на α-γ переход в электроположительных газах. Од- нако из оптических измерений следует, что в этих двух режимах в SF6 ионизация вторич- ными эмиссионными электронами отсутст- вовала, т.е. ВЧ разряд не переходил в γ-режим. Угол сдвига фазы между током и напряже- нием был гораздо меньше, чем в электрополо- жительном газе, т.е. разряд в SF6 был более резистивным. Nakano et al. [26], используя ре- лаксационную модель разрядной структуры, предсказали перенос радикалов к поверхно- сти и исследовали пространственно-времен- ную структуру разряда в диапазоне давлений 0,05 − 0,5 Торр при частоте 13,56 МГц. По- казана значительная роль двойного слоя, ко- торый появляется внутри приэлектродного слоя вблизи мгновенного анода. Ионизация в этом двойном слое является важным меха- низмом поддержания разряда, в то время как процесс отлипания электронов от электроот- рицательных ионов незначительно влияет на структуру ВЧ разряда в SF6. St-Onge et al. [27] использовали лазер-индуцированную флуо- ресцентную спектроскопию, чтобы изучить, с разрешением в пространстве и времени, процессы, приводящие к формированию и потерям двухатомной серы в SF6 плазме. S2 формируется большей частью на поверхно- стях электродов и стенках камеры, при усло- виях, когда велика концентрация атомов фтора, и теряется из-за диффузии наружу раз- рядного промежутка. Becker et al. [28] иссле- довали энергетические распределения ионов SFx + (x = 1 ÷ 5), F+, F2 + и S+, выходящих из SF6 плазмы в диапазоне давлений of 7,5⋅10−4 − 0,011 Торр для постоянных напряжений ав- тосмещения между 50 и 300 В и частоте 13,56 МГц. Kono et al. [29] измерили плот- ности электронов, положительных и отрица- тельных ионов как функции давления (0,03 − 0,7 Toрр) и ВЧ мощности. Найдено, что при низких давлениях < 0,1 Toрр плотность ионов превышала плотность электронов в не- сколько сотен раз, отношение ион/элект- ронной плотностей увеличивалось с ростом давления и достигало нескольких тысяч при давлении SF6 0,7 Toрр. Okuno et al. [30] с по- мощью эмиссионного зонда изучили струк- туру потенциала в ВЧ асимметричном разря- де (13,56 МГц), содержащем отрицательные ионы (SF6 в гелии). Профиль потенциала типа двойного слоя был обнаружен вблизи мгно- венного анода, в отличие от почти плоского профиля в чистом гелии. Плотность элект- ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 147 ронов, частота столкновения электронов с молекулами газа, а также активная мощность были определены Klick et al. [31]. Kawata et al. [32] исследовали диссипацию мощности в ВЧ разрядах в SF6, O2 и Ar с помощью ос- циллограмм напряжения и тока в плоско-па- раллельном реакторе. Mateev et al. [33] раз- работали аналитическую макроскопическую модель, позволяющую определить постоян- ное напряжение автосмещения в зависимости от ВЧ активной мощности в γ-режиме асим- метричного разряда низкого давления в SF6 и O2. Amouroux et al. [34] исследовали про- цесс разложения SF6, CF4 и их смесей в нерав- новесной плазме, а также их взаимодействие с пленками полиэтилена. Foest et al. [35] исследовали ВЧ разряд в SF6 при частоте 13,56 МГц в разрядной ка- мере “GEC reference cell” в диапазоне давле- ний газа 0,03 − 0,25 Toрр и амплитуде при- ложенного ВЧ напряжения 50 – 150 В. Они получили, что с ростом давления газа плазма становится более резистивной. Наблюдались резко выраженный пик интенсивности оп- тической эмиссии вблизи ВЧ электрода и формирование двойного слоя вблизи границы приэлектродного слоя. Значительная часть молекул SF6 (вплоть до 80% в некоторых слу- чаях) может быть диссоциирована после за- жигания ВЧ разряда. Koike et al. [36] изучили процесс разложения CF4, C2F6, SF6 и NF3 и получили, что степени диссоциации молекул этих газов расположены в порядке C2F6 > NF3 >> SF6 > CF4. При этом в исследо- ванном диапазоне активной мощности раз- ряда степень диссоциации для SF6 не пре- вышала 5 − 6 %. Noding et al. [37] исследо- вали функции распределения ионов по энер- гиям для SFx + (x = 0,5), F+ и F2 + ионов в SF6 плазме в диапазоне давлений 7,52⋅10−4 − 0,038 Toрр при частоте 13,56 МГц. Несмотря на то, что для этого краткого об- зора были выбраны только самые интересные статьи, в список вошли 20 работ. Может соз- даться впечатление, что ВЧ разряд в SF6 ис- следован настолько подробно, что нет какой- либо необходимости в дальнейших исследо- ваниях. Однако легко увидеть, что только в работах [25] и [35] рассматриваются режимы горения разряда и переход между ними. При этом авторы [25, 35] утверждают, что наличие участка с резким повышением разрядного то- ка с ростом ВЧ напряжения вызвано появле- нием двойных слоев в приэлектродных слоях и увеличением ВЧ электрического поля в разрядном объеме. Более того, наблюдаются разногласия в оценке степени диссоциации молекул SF6 в разряде: в работе [35] получены значения вплоть до 80%, а авторы [36] зая- вили о низкой степени диссоциации – не бо- лее 6%. Поэтому очевидно, что полного пони- мания физических процессов в ВЧ разряде в SF6 пока нет. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Авторы [25, 35] предположили, что наличие резкого повышения разрядного тока с ростом ВЧ напряжения вызвано появлением двойных слоев в приэлектродных слоях и, как следст- вие, увеличением ВЧ электрического поля в разрядном объеме. При этом авторы [25, 35] приводят лишь небольшое количество вольт- амперных характеристик разряда (в работе [25] представлены ВАХ для давлений SF6 0,1 Toрр, 0,5 Toрр и 1 Toрр, а авторы [35] ог- раничились лишь одной ВАХ для давления SF6 0,1 Toрр). Из этих результатов трудно по- нять, что именно происходит с ВАХ при изме- нении давления газа, в каких режимах су- ществует разряд при различных условиях. На взгляд автора этой статьи, авторы [25, 35] сде- лали ошибочные выводы о режимах горения ВЧ разряда в SF6. Сначала рассмотрим результаты, получен- ные нами для камеры, показанной на рис. 1, для зазора между электродами L = 25 мм и на- пуска газа Q = 5 см3/мин. На рис. 3 показаны зависимости амплитуды ВЧ тока Irf, угла сдви- га фазы ϕ между ВЧ током и напряжением, активного ВЧ тока Irf cos(ϕ) и активной мощ- ности Pdlv от амплитуды ВЧ напряжения для разных давлений SF6. На рис. 3 представле- ны 8 ВАХ в диапазоне давлений SF6 p = 0,045 – 1,125 Toрр (всего для этого диапазона дав- лений были измерены 22 ВАХ). Анализ представленных на рис. 3 резуль- татов лучше начать с кривых для более высо- В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4148 ких давлений. При достаточно большом дав- лении SF6 p ≈ 1 Toрр ВЧ разряд при низких значениях активной мощности (единицы – десятки Ватт) горит сначала в явно слаботоч- ном (α-) режиме, при этом его ВАХ является положительной (с ростом ВЧ напряжения на- блюдается увеличение активного тока). После достижения ВЧ напряжением некоторой кри- тической величины разряд скачком сжимает- ся в шнур (контрагированный разряд), ВАХ которого является отрицательной (это было ранее показано, например, Ogle и Woolsey [38]). По-видимому, при больших давлениях SF6 контрагированный разряд является сильно- точным (γ-) режимом ВЧ разряда (его харак- теристики – амплитуда ВЧ тока Irf, угол сдвига фазы ϕ, активный ВЧ ток Irf cos(ϕ) и активная мощность Pdlv, распределение разрядного свечения – резко отличаются от характерис- тик слаботочного режима). Теперь уменьшим давление SF6 и увидим, что в диапазоне дав- лений p ≈ 0,2 – 0,6 Toрр слаботочный режим: 1) существует в более узком диапазоне ВЧ на- пряжений и 2) сменяется каким-то режимом с резким ростом ВЧ тока при сравнительно небольшом увеличении ВЧ напряжения. Этот режим (назовем его условно δ-режимом) не похож на сильноточный γ-режим, но в то же время его трудно отнести к слабо-точному режиму из-за чрезмерно высокой величины активного ВЧ тока (несколько ам-пер в δ- режиме и 100 − 300 мА в α-режиме). При ВЧ напряжении, соответствующем пере-ходу разряда из α- в δ-режим, на ВАХ наблю- дается характерный излом, что позволяет проследить α-δ переход даже при самых низ- ких исследованных нами давлениях газа. На рис. 4 показаны кривая зажигания Ubr(p), кривая погасания Uext(p) и кривая пере- хода из α-режима δ-режим Uα−δ(p). Кривая зажигания ВЧ емкостного разряда в SF6, как и в других газах, имеет область неоднознач- ной зависимости пробойного ВЧ напряжения Рис. 3. Зависимость амплитуды ВЧ тока – а), угла сдвига фазы между ВЧ током и напряжением – б), активного ВЧ тока – в) и активной мощности – г) от приложенного ВЧ напряжения. SF6, L = 25 мм. Рис. 4. Кривая зажигания Ubr, кривая погасания Uext и кривая перехода из α-режима в δ-режим Uα−δ. SF6, L = 25 мм. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 149 от давления газа. В отличие от азота и водо- рода [39], кривая погасания в области высо- ких давлений SF6 (> 0,3 Toрр) проходит очень близко к кривой зажигания, напряжение за- жигания разряда всего лишь на 15 − 25 В пре- вышает напряжение погасания (что связано, по-видимому, с сильным прилипанием сво- бодных электронов к молекулам SF6). Из рис. 4 следует, что слаботочный режим может существовать только в сравнительно узком диапазоне ВЧ напряжений Urf между кривой погасания разряда Uext и кривой перехода из α-режима в δ-режим Uα−δ. При более высоких ВЧ напряжениях разряд горел в δ-режиме, и только при напряжениях более 450 В мог наблюдаться сильноточный γ-режим. На рис. 5 показаны зависимости ВЧ тока Irf, угла сдвига фазы ϕ, активного ВЧ тока Irf cos(ϕ) и активной мощности Pdlv от дав- ления газа для нескольких фиксированных значений ВЧ напряжения (при Urf > Uα−δ). Амплитуда ВЧ тока, активный ВЧ ток и ак- тивная мощность имеют максимумы (угол сдвига фазы ϕ имеет минимум), слева от ко- торых разряд горит в δ-режиме, а справа (при более высоких давлениях SF6) мы видим слаботочный (α-) режим. Чем выше величина ВЧ напряжения, тем более резким скачком изменяются характеристики ВЧ разряда при повышении давления SF6 и переходе к слаботочному α-режиму. С помощью квадрупольного масс-спект- рометра мы измерили масс-спектры газовой смеси, выходящей из разрядного промежутка при различных условиях. На рис. 6 показаны масс-спектры слаботочного α-режима и δ-ре- жима. Из рис. 6 следует, что масс-спектр α-режи- ма состоит из пиков SF5 +, SF4 +, SF3 +, SF2 +, SF+, а также S2 +. После перехода ВЧ разряда в δ- режим в масс-спектре появился пик SiF3 +, характеризующий продукт реакции кремния со фтором SiF4. По-видимому, SiF4 в нашей камере мог появиться при травлении стенок кварцевой трубки фтором, образовавшимся при диссоциации молекул SF6. Наиболее интересными здесь для нас яв- ляются пики SF5 +, SiF3 + and S2 +, зависимость которых от ВЧ напряжения представлена на рис. 7. Мы выбрали эти три пика из следую- щих соображений. Нашей целью является оценить степень диссоциации молекул SF6 в ВЧ разряде при разных режимах горения. Очевидно, что мы должны анализировать пик SF5 +, который характеризует концентрацию молекул SF6. На величину степени диссоциа- ции указывает также интенсивность пика S2 +, т.к. молекулы серы могут возникнуть только Рис. 5. Зависимость амплитуды ВЧ тока (a), угла сдвига фазы между ВЧ током и напряжением (б), активного ВЧ тока (в) и активной мощности (г) от давления SF6, L = 25 мм. а) б) Рис. 6. Масс-спектры газа, выходящего из разрядной камеры, для: a) – α-режима, Urf = 141 В и б) – δ-ре- жима, Urf = 226 В. SF6, L = 25 мм, p = 0,375 Toрр. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4150 при полной диссоциации молекул SF6. Пик SiF3 + также очень важен, т.к. он показывает, насколько быстро травится стенка кварцевой трубки разрядной камеры атомами и молеку- лами фтора. Концентрация атомарного и молекулярно- го фтора F и F2, измеряемая нашим масс-спек- трометром, вряд ли соответствует реальной концентрации фтора в разряде. Газ, выходя- щий из разрядной камеры, откачивается через узкую щель между заземленным электродом и стенкой кварцевой трубки, а затем часть га- за через узкий капилляр поступает в масс- спектрометр для анализа. Химически актив- ный фтор успевает вступить в реакцию с по- верхностью электрода, стенкой кварцевой трубки и стенками капилляра, рекомбиниро- вать с радикалами SFx на стенках, и в резуль- тате обычно масс-спектрометр показывает пики фтора F+ и F2 +, образовавшегося в самом масс-спектрометре при ионизации молекул SF6. Но информацию о наличии атомов и мо- лекул фтора в разряде мы можем получить из интенсивности пика SiF3 +, т.к. чем больше фтора появилось из-за диссоциации молекул SF6, тем с большей скоростью травится по- верхность кварцевой трубки и тем больше ко- нцентрация конечного продукта травления SiF4. Как мы видим из рис. 7, интенсивность пи- ка SF5 + в α-режиме с ростом ВЧ напряжения медленно увеличивается, а после перехода в δ-режим в диапазоне Urf = 205 − 230 В на- блюдается уменьшение интенсивности пика SF5 + примерно в 1,5 раза. Интенсивности пи- ков SiF3 + и S2 + в α-режиме слабо уменьшают- ся, но после перехода в δ-режим интенсив- ности этих пиков в том же диапазоне ВЧ на- пряжений увеличиваются примерно в 10 и 3 раза, соответственно. Эффект повышенного давления из-за дис- социации молекул газа и повышенной темпе- ратуры из-за нагрева газа в разряде позволяет только оценить пределы степени диссоциа- ции газа [35]. Система откачки газа в нашей экспериментальной установке поддерживала постоянную величину давления газа в разряд- ной камере, независимо от того, горел ли раз- ряд или нет, т.е. независимо от степени диссо- циации газа в камере. Так как число молекул радикалов увеличивалось в процессе диссо- циации, автоматически регулируемый клапан в системе откачки газа открывался, чтобы со- хранять постоянным давление смеси молекул SF6 и образовавшихся радикалов. В предель- ном случае, когда предполагается, что число молекул не увеличивается в процессе диссо- циации, получим верхний предел степени диссоциации газа [35] ( ) ( ) ( )+ ++ − = 50 550 SFI SFISFI D pl u , (1) где I0 и Ipl – интенсивности пиков SF5 + без и с ВЧ разрядом, соответственно. Если, с другой стороны, предполагается, что два продукта формируются при диссоциации каждой мо- лекулы SF6 и что результирующее увеличение давления компенсируется автоматическим вакуумным клапаном, получаем нижний предел степени диссоциации [35] ( ) ( ) ( ) ( )++ ++ + − = 550 550 SFISFI SFISFI D pl pl l . (2) Можно предполагать, что истинная величина степени диссоциации молекул газа находится между пределами Du и Dl [35]. Полученные нами значения Du и Dl приве- дены на рис. 8, где также показана вольт- амперная характеристика (Irf cos(ϕ) = f (Urf) – зависимость тока проводимости от прило- женного ВЧ напряжения). Из рис. 8 видно, что в α-режиме медленное увеличение тока проводимости с ростом ВЧ напряжения со- провождается небольшим уменьшением сте- Рис. 7. Зависимость интенсивностей пиков SF5 +, SiF3 + и S2 + от приложенного ВЧ напряжения для зазора между электродами L = 25 мм и давления SF6 p = 0,375 Toрр. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 151 пени диссоциации молекул газа. При дости- жении ВЧ напряжением некоторой пороговой величины разряд переходит в δ-режим, ток проводимости начинает резко увеличиваться, при этом значительно возрастает и степень диссоциации молекул газа. Так, при увели- чении разрядного тока в 6 раз (в определен- ном диапазоне ВЧ напряжений) степень дис- социации повысилась примерно в 4 раза. Вторая экспериментальная установка (рис. 2) позволяла провести зондовые измере- ния внутренних характеристик разряда (тем- пературу электронов Те и постоянный потен- циал плазмы), а также проанализировать оптическое излучение из центральной облас- ти разряда в α- и δ-режимах. На рис. 9 показаны вольт-амперные харак- теристики зонда Ipr(Upr) и вторые производ- ные электронного тока на зонд по напряже- нию на зонде d2Ie /dUpr 2 (функции распределе- ния электронов, electron probability distribu- tion functions): рис. 9a представляет результа- ты для α-режима вблизи погасания ВЧ раз- ряда, на рис. 9б мы видим результаты для α- режима перед самым переходом в δ-режим, и на рис. 9в представлены результаты для δ- режима. Обычно функции распределения электронов ВЧ разряда содержат две группы электронов: группу “холодных” электронов I с примерно максвелловским распределением с температурой Te, а также хвост с электро- нами высокой энергии II. Повышение ВЧ на- пряжения приводит к значительному умень- шению ширины группы “холодных” электро- нов I, что указывает на уменьшение темпера- туры электронов, однако количество “холод- ных” электронов монотонно увеличивается. При этом увеличивается количество элект- ронов высокой энергии во второй группе II, “хвост” группы II простирается до более высокой энергии. После перехода разряда в δ-режим значительно увеличиваются и шири- на группы “холодных” электронов I, и коли- чество электронов высокой энергии во второй группе II. На рис. 10 показаны амплитуда ВЧ тока Irf , температура электронов Te, постоянный по- тенциал плазмы ϕpl, а также интенсивности линий атомарного фтора IF (7037,5 C) и ато- марного кислорода IO (7770 C) как функции ВЧ напряжения. При наименьших ВЧ на- пряжениях (перед погасанием ВЧ разряда) Рис. 8. Зависимость ВЧ активного тока и степеней дис- социации молекул SF6 Du и Dl от приложенного ВЧ напряжения, L = 25 мм, p = 0,375 Toрр. а) б) в) Рис. 9. Вольт-амперные характеристики зонда Ipr (Upr) и вторые производные зондового тока по напряжению на зонде d2Ipr/dUpr 2 для зазора между электродами L = 30 мм, давления смеси SF6 + O2 p = 0,3 Toрр и при- ложенных ВЧ напряжений: a) Urf = 159 В, α-режим, б) Urf = 226 В, α-режим, в) Urf = 254 В, δ-режим. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4152 температура электронов высока (порядка 8 − 11 эВ), постоянный потенциал плазмы при- мерно равен 10 В (в отличие от работы Picard et al. [17], в наших экспериментах постоян- ный потенциал плазмы никогда не принимал отрицательные значения), а разрядное свече- ние слабо. Повышение ВЧ напряжения сопро- вождается сначала резким уменьшением тем- пературы электронов, которая затем вплоть до перехода из α- в δ-режим слабо уменьша- ется и примерно равна 6 эВ (полученные на- ми значения Te для α-режима хорошо согласу- ются с результатами [17]). Интенсивности линий IF и IO монотонно увеличиваются, растет также и постоянный потенциал плаз- мы. После перехода разряда в δ-режим с рос- том ВЧ напряжения температура электронов быстро увеличивается, быстрее возрастают также интенсивности линий IF и IO. Вольт-амперные характеристики разряда, представленные на рис. 3 для первой установ- ки, были измерены с помощью ВЧ генерато- ра, максимальная мощность которого равна 500 Вт. Чтобы прояснить ситуацию, мы про- вели для первой установки серию измерений с ВЧ генератором, способным выдать 2000 Вт, при этом расстояние между электро- дами было равно L = 20,4 мм. Результаты наших измерений (ток проводимости, угол сдвига фазы между ВЧ током и напряжением, а также активная мощность) показаны на рис. 11. С помощью этого ВЧ генератора нам удалось получить данные не только для α- и δ-режимов, но и достичь в ряде случаев γ-ре- жима. Рассмотрим более подробно вольт-ам- перную характеристику для давления SF6 p = 0,4 Toрр, показанную на рис. 12. На участ- ке AB мы видим α-режим, разрядный ток мал, меньше 0,2 A. После того, как ВЧ напряжение достигло величины 216 В, разряд переходит в δ-режим, при этом медленное увеличение ВЧ напряжения сопровождается быстрым ростом ВЧ тока проводимости, активной мощности, а также уменьшается значительно толщина приэлектродных слоев. Однако разряд все еще имеет структуру, подобную α-режиму, но светится гораздо ин- тенсивнее. При этом фиолетовый оттенок свечения вблизи границ приэлектродных слоев, обычно присущий γ-режиму, в данном случае не наблюдается. После достижения ВЧ напряжением величины 385 В происходит резкий скачок разряда из точки C в точку D Рис. 10. Зависимость амплитуды ВЧ тока, температуры электронов, постоянного потенциала плазмы, интен- сивностей излучения атомарного фтора и атомарного кислорода от приложенного ВЧ напряжения, L = 30 мм, давление смеси SF6 + O2 p = 0,3 Toрр. Рис. 11. Зависимость ВЧ активного тока – a), угла сдвига фазы между ВЧ током и напряжением – б), и активной мощности – в) от приложенного ВЧ напря- жения для различных давлений SF6, L = 20,4 мм. а) б) в) ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 153 (см. рис. 12). По-видимому, здесь мы имеем переход разряда из δ- в γ-моду, а в точке C произошел пробой приэлектродного слоя. Зафиксировать ВЧ напряжение на этом участке, скажем, 500 В, мы не смогли, это сос- тояние было неустойчиво. Однако используе- мый нами ВЧ зонд Z’SCAN (измеряющий величины ВЧ напряжения, ВЧ тока, угла сдвига фазы ϕ и активной мощности) позво- лял выполнить до 32 измерений в секунду. За время перехода разряда из точки C в точку D с его помощью удавалось выполнить одно− два измерения. На рис. 12 участок CD был построен из 14 ВАХ, измеренных для одних и тех же условий. На участке DE разряд горит явно в γ-режиме, судя по фиолетовому све- чению вблизи границ слоев, которое указы- вает на наличие быстрых электронов, уско- рившихся в приэлектродных слоях. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ SF6 Итак, что такое δ-режим и почему он появ- ляется? Авторы [25, 35] попытались объяс- нить наличие резкого повышения разрядного тока с ростом ВЧ напряжения (при переходе из α- в δ-режим) появлением двойных слоев в приэлектродных слоях и, как следствие, уве- личением ВЧ электрического поля в разряд- ном объеме. Таким образом, они подразуме- вают, что в α-режиме двойные слои вблизи электродов не образуются, и лишь при дости- жении ВЧ напряжением некоторой порого- вой величины появившиеся двойные слои приводят к резкому изменению характерис- тик разряда. Однако в работе [40] (вышедшей позже работы [25]) авторы делают вывод, что двойной слой является одним из основных механизмов поддержания разряда при наи- меньшем напряжении горения для всех ис- следованных частот. То есть двойной слой иг- рает важную роль (а, следовательно, сущест- вует) и перед погасанием разряда, т.е. в α-ре- жиме. Поэтому если двойной слой уже су- ществует в α-режиме, то его появление не мо- жет быть причиной перехода ВЧ разряда в δ-режим. Это видно даже невооруженным глазом (см. фото участка разряда вблизи элек- трода на рис. 13), что внутри приэлектрод- ного слоя в α-режиме имеется ярко светя- щийся слой (который и является упомянутым выше двойным слоем). Этот же слой сущест- вует и после перехода из α- в δ-режим, при этом он может светиться иногда даже ярче, чем плазма вблизи границы приэлектродного слоя или в центре разряда. Однако из-за не- большой толщины приэлектродного слоя в δ- режиме трудно получить разборчивые фото- графии. Наличие двойного слоя в α-режиме можно увидеть и из результатов нашего моделиро- вания для SF6, p = 0,38 Toрр, Urf = 200 В (см. рис. 14). Для этого мы использовали хорошо известный гидродинамический код Siglo-RF, который позволяет моделировать одномер- ный ВЧ емкостный разряд низкого давления в электроположительных и электроотрица- тельных газах. На рис. 14 показан случай, ког- да левый и правый электроды являются мгно- венными анодом и катодом, соответственно. В этот момент времени левый слой находится в анодной фазе, т.е. электроны движутся в ВЧ поле в сторону левого электрода, заполняя при этом приэлектродный слой вблизи него. Как видно из рис. 14а, в левом приэлект- родном слое наблюдается двойной слой. Если в центральной области Erf = 35 В/см, то в Рис. 12. Зависимость ВЧ активного тока от приложен- ного ВЧ напряжения для давления SF6 p = 0,4 Toрр и L = 20,4 мм. Электорд ДС Граница слоя Рис. 13. Фотография приэлектродной области ВЧ раз- ряда в SF6, на которой показано положение электрода, двойного слоя (ДС) и границы приэлектродного слоя, p = 0,4 Toрр, Urf = 150 В, −режим. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4154 двойном слое максимальное ВЧ поле дости- гает величины Erf = 119 В/см. Профиль плот- ности электронов Ne имеет хорошо выражен- ный пик внутри приэлектродного слоя (см. рис. 14б). Этот пик появляется из-за повы- шенной скорости ионизации, которая в об- ласти существования двойного слоя в 2 − 3 раза выше, чем в центре разрядного зазора. Авторы работ [41, 42, 43, 44 – 48, 25, 26, 40] получили подобные профили U, E и Ne для анодной фазы приэлектродного слоя ВЧ разряда в электроотрицательных газах. В ВЧ емкостном разряде количество элек- тронов и положительных ионов, сталкиваю- щихся с поверхностью электродов в течение периода ВЧ поля T, должно быть одинаково. Положительные ионы движутся к поверх- ности электрода потоком Ii, модулированным частотой ВЧ поля. Электроны достигают поверхности электрода только в анодной фазе слоя, когда электронное облако заполняет слой, при этом электронный поток Ie посту- пает на электрод в виде одного импульса за период (рис. 15). Площади dttI T i )( 0 ∫ и dttI T e∫ 0 )( должны быть равны. В ВЧ разряде в электроположительном газе это условие легко выполняется, т.к. в плазме Ni ≈ Ne. Од- нако в электроотрицательном газе, особенно в SF6, концентрация электронов гораздо меньше концентрации ионов, Ne << Ni. На- пример, из рис. 13 мы имеем в центре разряда Ne ≈ 5,24⋅108 см-3, Ni ≈ 5,97⋅1010 см-3, Nn ≈ 5,92⋅1010 см−3, т.е., отношение Ne/Nn ≈ 8,85⋅10-3. Следова- тельно, большинство электронов в разрядном объеме прилипает к молекулам газа, фор- мируя отрицательные ионы, и они не могут двигаться к поверхности электрода и ком- пенсировать поступающий туда положитель- ный заряд. Следовательно, в анодной фазе слоя, когда оставшиеся свободные электроны движутся к электроду, внутри приэлектрод- ного слоя возникает двойной слой. Этот двой- ной слой локально нагревает электроны, рез- ко увеличивая частоту ионизации молекул га- за и генерируя необходимый дополнительный поток электронов к поверхности электрода. Только в этом случае количество положитель- ных и отрицательных зарядов, приходящих в течение периода ВЧ поля на поверхность электрода, одинаково. Поэтому двойной слой в анодной фазе приэлектродного слоя должен возникать в ВЧ разряде, содержащем отрица- тельные ионы. а) б) Рис. 14. Осевые профили ВЧ потенциала Urf, ВЧ элект- рического поля Erf, плотностей электронов Ne, положи- тельных Ni и отрицательных Nn ионов, а также скоро- сти ионизации Ri при p = 0,375 Toрр, Urf = 200 В для момента времени, когда потенциал ВЧ электрода равен Uel = –200 В. Рис. 15. Плотности токов электронов Je, положитель- ных Ji и отрицательных Jn ионов, сталкивающихся с поверхностью заземленного (левого) электрода в те- чение периода ВЧ поля T, SF6, p = 0,375 Toрр, Urf = 200 В. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 155 Следовательно, двойной слой не может быть причиной перехода ВЧ разряда из α- в δ-режим. На наш взгляд, причиной этого перехода является диссоциация молекул газа электронным ударом. Для обозначение δ-ре- жима мы взяли первую букву греческого сло- ва “διασπαση” (“diaspasis”), что переводится как “диссоциация” в смысле разложения сло- жной молекулы на составные части (атомы, радикалы). Итак, в слаботочном α-режиме степень диссоциации молекул SF6 мала, не превышает 5 − 10%, что согласуется с результатами [36]. Температура I группы электронов с ростом ВЧ напряжения слабо уменьшается, однако при этом возрастает количество электронов во второй II группе, а также их энергия (см. рис. 9). При некоторой пороговой величине ВЧ напряжения мы имеем достаточно больш- ое количество электронов высокой энергии, столкновения которых с молекулами SF6 могут приводить к их диссоциации. В то же время энергия этих электронов недостаточна для ионизации молекул. Процесс ионизации молекул SF6 электронным ударом проходит по схеме: SF6 + e → SF5 + + F + 2e, (3) где пороговая энергия ионизации молекул SF6 равна 15,5 эВ [49]. Однако для процесса дис- социации молекул SF6 SF6 + e → SF5 + F + e, (4) SF6 + e → SF4 + 2F + e, (5) SF6 + e → SF4 + F2 + e, (6) нужны заметно меньшие пороговые энергии – 9,6 эВ; 12,1 эВ и 11,3 эВ, соответственно [49]. При этом пороговые энергии ионизации образовавшихся радикалов также оказывают- ся меньше 15,5 эВ, необходимых для иони- зации молекул SF6: SF5 + e → SF5 + + 2e, (7) SF4 + e → SF4 + + F + 2e, (8) SF3 + e → SF3 + + F + 2e, (9) SF2 + e → SF2 + + F + 2e, (10) SF + e → SF+ + F + 2e, (11) и для процессов (7) – (11) они равны, соот- ветственно, 11,7 эВ; 13,0 эВ; 10,6 эВ; 12,8 эВ и 14,7 эВ [49] (в работе [50] для процессов (7) и (9) получены пороговые энергии 11,2 эВ и 11,0 эВ, соответственно). Таким образом, когда ВЧ напряжение до- стигает некоторой пороговой величины и в разряде имеется достаточное количество электронов высокой энергии, резко увеличи- вается скорость диссоциации молекул газа электронным ударом. При этом радикалы, имеющие более низкий потенциал ионизации по сравнению с молекулами SF6, играют роль легкоионизуемой добавки к SF6. Увеличение концентрации радикалов вызывает рост час- тоты ионизации их электронным ударом, что приводит к увеличению плотности плазмы и тока проводимости ВЧ разряда. При этом радикалы, а также атомы и молекулы фтора, образовавшиеся при диссоциации молекул SF6, могут захватывать свободные электроны, что вызывает также рост концентрации отри- цательных ионов. Повышение концентрации отрицательных ионов приводит к увеличе- нию ВЧ электрического поля в плазме, чтобы обеспечить перенос ВЧ тока через плазмен- ный объем, а также поддержание необходи- мой скорости ионизации молекул газа и ради- калов немногочисленными свободными электронами. Поэтому δ-режим ВЧ разряда характеризуется высокой плотностью плаз- мы, повышенной температурой электронов и высоким током проводимости. Как в α-режи- ме, так и в δ-режиме должен существовать двойной слой в анодной фазе приэлектрод- ных слоев. Переход разряда из δ- в γ-режим может произойти при более высоких ВЧ на- пряжениях, когда пробьются приэлектродные слои. Отметим, что переход разряда из α- в δ- моду происходит, когда отношение активной мощности Pdlv и давления газа p достигает по- роговой величины Pdlv/p = 100 ± 20 Вт/Toрр. Это соответствует мощности на единицу пло- щади Pdlv/pS = 0,62 ± 0,12 Вт/(Toрр см2). ВЧ активный ток равен 0,37 ± 0,05 A, а плот- ность тока равна jrf = 2,3 ± 0,3 мA/см2. Авто- ры работы [25] установили, что переход раз- ряда из α-моды в более резистивную моду происходит при jrf ≈ 2 мA/см2 (что видно из рис. 6 в работе [25]). Следовательно, поро- говая величина плотности разрядного тока, полученная нами, хорошо согласуется с ре- зультатами работы [25]. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4156 В связи с тем, что наиболее важным про- цессом в δ-режиме является диссоциация молекул газа электронным ударом, данный режим можно называть “диссоциативным”. ВЧ РАЗРЯД В NF3 ВЧ разряд в NF3 широко используется при очистке технологических камер, травлении кремнийсодержащих материалов и т.д. Инте- рес к этому газу вызван следующими причи- нами. Обычно используемые в процессах травления полупроводниковых материалов газы CF4, C2F6, SF6 и т.д. имеют ряд недостат- ков. Во-первых, горение ВЧ разряда в этих газах приводит к осаждению на обрабатывае- мые образцы, электроды и стенки разрядной камеры слоев фторуглеродного полимера (в случае SF6 оседает слой серы), и для предо- твращения этого нежелательного процесса требуется добавлять в разрядный объем кис- лород. Во-вторых, эти газы долго живут в ат- мосфере Земли и могут разрушать озоновый слой, а также давать вклад в так называемый “парниковый эффект” [51]. Степень диссоци- ации этих газов в технологической камере невелика [52], и значительная часть газа, не израсходованного в течение плазмохимичес- кого процесса, выбрасывается вакуумным на- сосом в атмосферу. Поэтому более предпоч- тительной альтернативой этим газам является NF3. Разряды в NF3 не образуют слоев поли- мера, к тому же время жизни молекул NF3 в атмосфере сравнительно мало [51]. Ниже будет показано, что NF3 имеет также дополни- тельное преимущество в виде практически полной диссоциации молекул NF3 в разряд- ных условиях, обычно применяемых в техно- логических процессах. При этом высвобож- даемые в большом количестве атомы фтора приводят к повышенной скорости травления обрабатываемых материалов. Поэтому иссле- дования режимов горения и характеристик ВЧ разряда в NF3 представляют значительный интерес. Однако до сих пор свойства ВЧ емкостного разряда в NF3 остаются почти неизученными. В работе [52] измерена одна вольт-ваттная характеристика при фиксированном давле- нии газа в промышленной установке для тра- вления (GIR 100, производство Alcatel). В работе [53] измерены импеданс и угол сдвига фазы между ВЧ током и напряжением в раз- личных смесях NF3/Ar в GEC Reference cell. В такой же камере авторы [54] изучили влия- ние давления газа на мощность, импеданс и угол сдвига фазы в смесях NF3 с аргоном и несколькими другими газами. Как мы видим, эксперименты [52 –54] были проведены в асимметричных технологических реакторах. К настоящему времени в литературе отсутст- вует информация о режимах горения и харак- теристиках симметричного ВЧ емкостного разряда в NF3. Целью нашей работы было выяснить, мо- жет ли δ-мода существовать в других газах или присуща только SF6. В настоящем разделе показано, что диссоциативный δ-режим ока- зался наиболее ярко выражен в NF3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ На рис. 16 показаны зависимости угла сдвига фазы между ВЧ током и напряжением, актив- ного ВЧ тока (вольт-амперные характеристи- ки) и активной мощности от величины при- ложенного ВЧ напряжения. Рис. 16. Зависимость угла сдвига фазы между ВЧ то- ком и напряжением – а), активного ВЧ тока – б), и ак- тивной мощности – в) от приложенного ВЧ напряже- ния. NF3, L = 25 мм. а) б) в) ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 157 Из рис. 16 видно, что при давлении NF3 более 0,07 Торр вольт-амперная характерис- тика ВЧ разряда имеет S-образный вид (см. также ВАХ на рис. 17a для давления NF3 p = 0,375 Topp). Нижняя ветвь, начиная с на- пряжения погасания разряда Uext, представля- ет собой слаботочный α-режим с характерной величиной разрядного тока 100 − 200 мА. За- тем, при достижении ВЧ напряжением неко- торой пороговой величины Uα−δ, разрядный ток и активная ВЧ мощность начинают быст- ро увеличиваться с одновременным уменьше- нием ВЧ напряжения на электродах, разряд переходит в диссоциативный δ-режим. С рос- том разрядного тока слабое в α-режиме све- чение разряда после перехода в δ-режим рез- ко усиливается. При дальнейшем увеличении разрядного тока ВЧ напряжение на электро- дах достигает минимальной величины Uδ.min, и мы выходим на верхнюю ветвь вольт-ам- перной характеристики. Здесь при повыше- нии ВЧ напряжения разрядный ток сначала достигает максимальной величины, а затем медленно уменьшается. Из рис. 16 видно, что в δ-режиме угол сдвига фазы гораздо больше, чем в α-режиме, поэтому δ-режим является более резистивным. Из рис. 16а следует так- же, что в сформировавшемся δ-режиме (верх- няя часть вольт-амперной характеристики) угол сдвига фазы ϕ ведет себя так же, как и в α-режиме ВЧ разряда в электроположитель- ных газах. То есть рост ВЧ напряжения сопро- вождается уменьшением угла сдвига фазы. В случае горящего разряда в α-режиме, когда плотность (следовательно, и проводимость) плазмы высока, ВЧ ток ограничен емкостным сопротивлением слоев, которое зависит от их толщины dsh. С ростом плотности плазмы тол- щина слоев dsh и их емкостное сопротивление изменяются сравнительно слабо, в то время как омическое сопротивление плазмы значи- тельно уменьшается. Поэтому при увеличении ВЧ напряжения угол сдвига фазы ϕ уменьшается, стремясь к значению −π/2, а разряд становится более емкостным. Соот- ветственно, уменьшается также и активный ток Irf cos(ϕ), что мы и видим на рис. 16б и 17а. Из рис. 16 видно, что при низких давле- ниях (p < 0,07 Topp) вольт-амперная характе- ристика разряда представляет собой верх- нюю ветвь S-образной характеристики, т.е. при этих условиях существует только диссо- циативный режим. На рис. 17, кроме вольт-амперной характе- ристики Irf cos(ϕ), показаны зависимости ин- тенсивностей пиков NF3 +, NF2 +, NF+, N2 +, SiF3 + и F+ от приложенного ВЧ напряжения, из- меренные при давлении NF3 p = 0,375 Toрр. Из рис. 17 следует, что в слаботочном α-режи- ме степень диссоциации газа мала, и из раз- рядного объема выходят преимущественно молекулы NF3, NF2, NF, и N2, а также атомар- ный фтор F. Масс-спектр содержит также слабый пик SiF3 +, который указывает на на- личие летучего продукта травления кремния SiF4. Этот пик появился из-за травления ато- мами фтора поверхности кварцевой трубки а) б) в) Рис. 17. Зависимость активного ВЧ тока – а), интен- сивностей пиков NF3 +, NF2 + и NF+ – б), а также интен- сивностей пиков N2 +, SiF3 + и F+ – в) от приложенного ВЧ напряжения для зазора между электродами L = 25 мм и давления NF3 p = 0,375 Toрр. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4158 нашей разрядной камеры, другие возможные источники кремния (полупроводниковые пла- стины, образцы, кремнийсодержащие загряз- нения на электродах) в данном случае отсутс- твовали. Однако после достижения ВЧ напря- жением величины Uα−δ разряд перешел в δ-режим, при этом на масс-спектре резко уменьшились интенсивности пиков NF3 +, NF2 +, NF+ и увеличились интенсивности пи- ков N2 +, F+ и SiF3 +. В условиях верхней ветви вольт-амперной характеристики в δ-режиме сначала при ВЧ напряжении 230 В исчез пик NF3 +, а затем при 350 В исчез пик NF+, т.е. мы имеем полную диссоциацию молекул NF3 в нашем разряде. При ВЧ напряжении 380 В выходящая из разрядного зазора смесь газов состоит на 79% из молекулярного азота, 11% – атомарного фтора, 7% − SiF4 и на 3% из NF2. Состав смеси газов в разрядном промежутке при условиях верхней ветви ВАХ с ростом ВЧ напряжения остается почти неизменным: при практически постоянных концентрациях N2 и F наблюдается слабый рост концент- рации SiF4 и небольшое уменьшение кон- центрации NF2. По-видимому, при более вы- соких ВЧ напряжениях можно добиться пол- ного разложения также и молекул NF2. На рис.18 показаны степени диссоциации Du и Dl молекул NF3, рассчитанные по фор- мулам [35]: ( ) ( ) ( )+ ++ − = 30 330 NFI NFINFI D pl u , (12) ( ) ( ) ( ) ( )++ ++ + − = 330 330 NFINFI NFINFI D pl pl l , (13) где I0 и Ipl – интенсивности пиков NF3 + без и с ВЧ разрядом, соответственно. Истинная сте- пень диссоциации молекул NF3 находится между величинами Du и Dl. Из рис. 18 сле- дует, что в δ-режиме степень диссоциации примерно равна 4 – 10%, после достижения ВЧ напряжением величины Uα−δ она резко увеличивается и после выхода на верхнюю ветвь ВАХ с δ-режимом степень диссоциации молекул NF3 достигает 100%. На рис. 19 показаны кривая зажигания Ubr, кривая погасания Uext, кривая перехода из α- в δ-режим Uα−δ и кривая с наименьшим ВЧ напряжением в на электродах в δ-режиме Uδ.min в NF3. ВЧ кривая зажигания в NF3, как и в других газах, в диапазоне низких давлений (слева от минимума) имеет область неодноз- начной зависимости пробойного ВЧ напря- жения от давления газа. Из рис. 19 видно, что при давлении газа меньше 0,07 Торр ВЧ разряд во всем исследо- ванном нами диапазоне ВЧ напряжения горит в δ-режиме, а слаботочный α-режим появ- ляется только при более высоком давлении газа. На этом рисунке кривая погасания Uext показывает величину ВЧ напряжения, при котором разряд погасает. Как мы видим, в диапазоне давлений больше 0,3 Торр пога- сание разряда происходит при более высоком ВЧ напряжении, чем наименьшее ВЧ напря- жение на электродах в δ-режиме Uδ.min, кривая Рис. 18. Зависимость степеней диссоциации Dl и Du молекул NF3 от приложенного ВЧ напряжения для зазора между электродами L = 25 мм и давления NF3 p = 0,375 Toрр. Рис. 19. Кривая зажигания Ubr, кривая погасания Uext, кривая перехода из α- в δ-режим Uα−δ и кривая с наи- меньшим ВЧ напряжением на электродах в δ-режиме Uδ.min в NF3 при L = 25 мм. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 159 Uδ.min проходит ниже кривой погасания ВЧ разряда Uext. Поскольку в δ-режиме происходит интен- сивная диссоциация молекул газа электрон- ным ударом, общее количество молекул в раз- рядном объеме увеличивается. В процессе по- лучения приведенных выше результатов наш автоматический вакуумный клапан поддер- живал постоянное давление газа, реагируя на увеличение количества молекул повышением скорости откачки газа. Теперь посмотрим, как будут изменяться вольт-амперная характерис- тика разряда и давление газа, если вакуумный клапан будет поддерживать постоянным не давление газа, а скорость откачки. Мы напу- стили в камеру NF3 со скоростью 5 см3/мин, потом клапаном зафиксировали скорость откачки, установив начальное давление газа 0,375 Торр (0,5 мбар), и затем зажгли разряд. Результаты измерений приведены на рис. 20. Из рис. 20 видно, что ВАХ сохранила свой S-образный вид. В слаботочном α-режиме с ростом ВЧ напряжения давление газа мед- ленно возрастает, но при приближении к ВЧ напряжению α-δ перехода Uα−δ скорость роста давления увеличивается. После достижения U−δ разряд переходит в δ-режим, при этом рост активного тока Irf cosϕ сопровождается уменьшением ВЧ напряжения на электродах и быстрым ростом давления газа. После дос- тижения активным током максимума и выхо- да ВАХ на верхнюю часть S-образной харак- теристики давление газа практически стаби- лизируется. С повышением ВЧ мощности (и ВЧ напряжения) небольшой рост давления га- за связан как с увеличением числа молекул из-за диссоциации продуктов реакции NFx (x = 1, 2), так и с нагревом нейтрального газа. Слабое изменение давления газа на этом участке ВАХ подтверждает, что процесс быс- трой диссоциации молекул газа прекраща- ется. В ряде случаев мы провели измерения не только для частоты f = 13,56 МГц, но и для f = 27,12 МГц. На рис. 21 показаны вольт-ам- перные характеристики для давления NF3 p = 0,375 Toрр и зазора между электродами L = 20,4 мм. ВАХ для f = 13,56 МГц содержит участок со слаботочным α-режимом, а также две ветви с δ-режимом. Из-за недостаточной мощности ВЧ генератора мы не смогли в этом случае достичь сильноточного γ-режима. На ВАХ для f = 27,12 МГц отсутствует участок со слаботочным α-режимом, ВАХ сразу нач- инается с диссоциативного δ-режима, а при достаточно высоких ВЧ напряжениях появ- ляется и сильноточный γ-режим. Величина активного тока для f = 27,12 МГц примерно вдвое больше, чем для f = 13,56 МГц. По- видимому, слаботочный α-режим может поя- виться на ВАХ для f = 27,12 МГц при более высоком давлении NF3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Итак, рассмотрим, какие процессы в NF3 мо- гут приводить к описанным выше явлениям. Для термодиссоциации молекул NF3 нужно нагреть газ всего до 400 °С [36]. Для сравне- ния укажем, что диссоциация молекул SF6 и Рис. 20. Зависимость активного ВЧ тока и давления газа от приложенного ВЧ напряжения для зазора между электродами L = 25 мм и давления NF3 p = 0,375 Toрр. Рис. 21. Зависимость активного ВЧ тока от приложен- ного ВЧ напряжения для зазора между электродами L = 20,4 мм при частотах f = 13,56 МГц и f = 27,12 МГц и давлении NF3 p = 0,375 Toрр. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4160 CF4 происходит при температурах 800 °С и 1400 °С, соответственно. Пороговая энергия для диссоциативного прилипания электронов NF3 + e → NF2 + F− (13) примерно равна нулю, т.к. энергия электрон- ного сродства к атому фтора (3,6 эВ) выше, чем энергия связи NF2 − F (2,5 эВ) [55]. Поро- говая энергия для диссоциации молекул CF4 электронным ударом равна 12,6 эВ. Диссо- циация молекул NF3 и образовавшихся ради- калов может происходить также в таких реак- циях: NF3 + e → NF2 + F + e, (14) NF2 + e → NF + F + e, (15) NF + e → N + F + e, (16) где энергия связи равна: для реакции (14) 3,2 эВ [56] (2,6 эВ [57]), для реакции (15) 2,7 эВ [56] (2,5 эВ [58]), для реакции (16) 2,6 эВ [59]. Однако вероятность прямого разбиения молекулы NF3 с энергией, скажем, 4 эВ, очень мала из-за кратковременности взаимодействия электрона с молекулой, в течение которого тяжелые атомы (радикалы) не успевают получить необходимого для раз- лета импульса. Диссоциация молекул обычно имеет двухступенчатый характер и идет через возбуждение электронных или электронно- колебательных состояний молекулы с после- дующим распадом возбужденной молекулы на атомы. В случае NF3 процесс диссоциации идет по схеме NF3 + e → NF3 * + e → NF2 + F + e, (17) где NF3 * обозначает одно из 3E (триплетное) или 1E (синглетное) электронных возбужден- ных состояний с пороговой энергией 8,3 эВ (для 3E состояния) [60]. Образовавшиеся в процессе диссоциации радикалы NFx могут взаимодействовать друг с другом [59]: NF + NF → N2 + 2F, (18) NF + NF2 → N2 + 3F, (19) NF2 + NF2 → N2 + 4F. (20) Как мы видим, в реакциях (13) – (20) высво- бождается большое количество атомарного фтора, что очень важно для технологических процессов. Процесс ионизации молекул NF3 и ради- калов электронным ударом может проходить следующим образом: NF3 + e → NF3 + + 2e, (21) NF3 + e → NF2 + + F + 2e, (22) NF3 + e → NF+ + 2F + 2e, (23) NF2 + e → NF2 + + 2e, (24) NF + e → NF+ + 2e, (25) F + e → F+ + 2e, (26) F2 + e → F2 + + 2e, (27) N + e → N+ + 2e, (28) N2 + e → N2 + + 2e, (29) при этом для протекания этих реакций нужна следующая энергия: (21) – 13,2 эВ [59], (22) – 14,6 эВ [61], (23) – 17,9 эВ [59], (24) – 11,4 эВ [61], (25) – 12,0 эВ [57], (26) – 17,4 эВ [59], (27) – 15,7 эВ [59], (28) – 14,5 эВ, (29) – 15,6 эВ. Таким образом, потенциал иониза- ции радикалов NF2 и NF (соответственно, 11,4 эВ и 12,0 эВ) заметно ниже, чем потенци- ал ионизации молекул NF3 (13,2 эВ). Как и в случае SF6, образовавшиеся при диссоциации NF3 радикалы NF2 и NF играют роль легко- ионизуемой добавки. Как известно [62 – 65], понижение давле- ния газа приводит к росту температуры элект- ронов Te. По-видимому, при низких давле- ниях (p < 0,07 Topp) в ВЧ разряде в NF3 тем- пература электронов Te сравнима с пороговой энергией диссоциации 8,3 эВ. Поэтому сразу после зажигания ВЧ разряд горит в диссоциа- тивном δ-режиме, т.к. энергия электронов достаточно высока для протекания реакций диссоциации молекул NF3 и радикалов NF2 и NF (14) – (16). С ростом давления температура элект- ронов понижается, и появляются условия для существования слаботочного α-режима ВЧ разряда. При наименьшем напряжении горе- ния (перед погасанием) температура электро- нов обычно максимальна (для фиксирован- ного давления газа), и повышение ВЧ напря- жения в слаботочном режиме приводит к уменьшению Те. Это объясняет, почему на рис. 17в концентрация атомов фтора перед погасанием разряда увеличивается (неболь- шое увеличение степени диссоциации моле- кул NF3 видно и на рис.18). Поскольку, начи- ная с некоторого давления газа, температура электронов в α-режиме становится недоста- точно высокой для диссоциации молекул NF3 и радикалов, то диссоциативное прилипание электронов (13) в значительной степени опре- деляет степень диссоциации молекул газа при ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 161 этих условиях. Свободный электрон, прилип- ший к атому фтора, теряет свою способность набирать энергию в ВЧ электрическом поле и вызывать диссоциацию молекул газа. Отри- цательный ион фтора F– будет находиться в плазме до тех пор, пока он не рекомбинирует с положительным ионом или пока свободный электрон с энергией выше 3,6 эВ не столк- нется с ним и не оторвет прилипший элект- рон. Все свободные электроны не могут быть захвачены атомами фтора, т.к. ионизацию молекул газа и перенос ВЧ тока через плаз- менный объем должны выполнять именно свободные электроны. Поэтому в слаботоч- ном α-режиме степень диссоциации молекул NF3 невелика и монотонно растет с повыше- нием ВЧ напряжения благодаря росту плот- ности плазмы. Однако, как мы видели выше для SF6, c ростом ВЧ напряжения повыша- ются энергия и концентрация высокоэнер- гетичных электронов “хвоста” функции рас- пределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). При низкой температуре “холодных” электро- нов именно быстрые электроны “хвоста” ФРЭЭ, сталкиваясь с молекулами, могут вы- зывать их диссоциацию. Когда ВЧ напря- жение достигает некоторой пороговой вели- чины Uα−δ, концентрация электронов высокой энергии становится достаточно большой, чтобы начался быстрый процесс диссоциа- ции молекул NF3 и радикалов NF2 и NF. Энер- гии диссоциации молекул NF3, а также NF2 и NF сравнимы, поэтому на рис. 17б мы видим одновременное уменьшение концентраций NFx (x = 1 − 3). В процессах диссоциации (14) – (16), как уже говорилось, высвобождаются атомы фтора, которые активно захватывают свободные электроны с низкой энергией, и концентрация отрицательных ионов F− в плазме растет. Чтобы обеспечить достаточ- ную для поддержания разряда частоту иони- зации молекул газа электронным ударом, а также переноса ВЧ тока, ВЧ электрическое поле в плазменном объеме увеличивается. Это, в свою очередь, повышает концентра- цию электронов высокой энергии, а также температуру “холодных” электронов, и про- цесс диссоциации молекул газа ускоряется. Увеличение плотности плазмы с одновре- менным накоплением отрицательных ионов F− приводит к повышению резистивности разряда и значительному росту тока. Анализ наших экспериментальных дан- ных показывает, что переход разряда в NF3 из α- в δ-моду происходит, когда отношение активной мощности и давления газа дости- гает критической величины Pdlv/p = 55 ± 15 Вт/Toрр. При этом мощность на единицу площади электрода S равна Pdlv/pS = 0,34 ± 0,09 Вт/(см2 Toрр), ВЧ активный ток равен Irf cosϕ = 0,175 ± 0,025 A, а плотность тока равна jrf = 1,1 ± 0,16 мA/см2. Отметим, что после достижения ВЧ напря- жением величины Uα−δ переход разряда от Uα−δ до Uδ.min на рис. 17а происходит самостоя- тельно, без изменения настроек ВЧ генера- тора. ЭДС Erf ВЧ генератора остается постоян- ным в течение этого перехода, сопротивление внешней цепи также не изменялось. Поэтому по закону Ома для всей цепи из-за быстрого роста ВЧ тока Irf ВЧ напряжение на элект- родах Urf Urf = Erf − Irf ⋅Ω (30) при фиксированных Erf и Ω уменьшается. Из рис. 17 видно, что при переходе от Uα−δ до Uδ.min уменьшение ВЧ напряжения на элект- родах сопровождается линейным ростом тока. Особенно хорошо это видно при более высоком давлении p > 0,5 Toрр. При этих условиях переход происходит скачком, в те- чение которого RF probe Z’SCAN успевает измерить всего несколько точек (при возмож- ной скорости измерения до 30 точек в се- кунду). ВЧ РАЗРЯД В SiH4 Теперь рассмотрим характеристики ВЧ раз- ряда в силане. В отличие от NF3, используемо- го при травлении, SiH4 широко используется для осаждения аморфного и микрокристал- лического кремния, нитрида и оксинитрида кремния. Это вызвало появление множества работ, посвященных изучению свойств ВЧ разряда в этом газе (см, например, [66 – 74]). ВЧ емкостный разряд в SiH4, как говорится в работах [68, 69], имеет два режима горения. При фиксированном давлении силана с рос- том ВЧ напряжения разряд переходит из сла- боточной α-моды в другую моду, более резис- тивную, которую авторы [67, 68] представили В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4162 как γ-моду. Этот переход сопровождается резким увеличением скорости осаждения пленки a-Si:H [67], а также интенсивным образованием пылевых частиц в разрядном объеме [68]. Однако Boeuf и Belenguer [69] с помощью численного моделирования пока- зали, что наблюдаемый переход не является переходом в сильноточную γ-моду, а вызван резким увеличением потерь электронов. Ав- торы [69] предположили, что причиной по- терь электронов является их прилипание к об- разовавшимся пылевым частицам. Это при- водит к повышению ВЧ поля в плазменном объеме, а также росту активной мощности. Впоследствии данную резистивную моду обозначили как γ′ [71]. В SiH4 диссоциативная δ-мода также ока- залась хорошо выражена. На рис. 22 показаны ВАХ в SiH4 для зазора между электродами L = 15 мм. При наимень- шем представленном на рисунке давлении силана p = 0,11 Toрр мы видим α-моду во всем исследованном в данном случае ди- апазоне ВЧ напряжений. При более высоком давлении p = 0,225 Toрр с ростом ВЧ напря- жения сначала разряд горит в α-моде, но при Urf > 120 В происходит переход в диссоциа- тивную δ-моду, которая является более ре- зистивной (если в α−моде угол сдвига фазы ϕ ≈ − 87°, то в δ-моде ϕ достигает − 80°). Это приводит к увеличению активного тока разряда. При более высоких давлениях сла- боточная мода наблюдается только перед по- гасанием разряда. Начиная с давления при- мерно 1 Toрр, ВАХ приобретает S-образный вид (как и в описанном выше случае для NF3). Подобные ВАХ мы видим на рис. 23 для зазора между электродами 25 мм, но в этом случае ВАХ становятся S-образными, начи- ная с давления примерно 0,5 Toрр. На рис. 24 представлены интенсивности пиков H2 + и SiH4 +, измеренные нами в газовой смеси, выходящей из разрядной камеры. С ростом ВЧ напряжения концентрация моле- кул водорода быстро растет, в то время как концентрация SiH4 уменьшается. На рис. 25 показаны ВАХ и степени дис- социации Dl и Du молекул SiH4, определен- ные по формулам (12) и (13) (с заменой в фор- мулах NF3 + на SiH4 +). В α−моде (наименьшее ВЧ напряжение, Urf = 85 В) степень диссо- циации молекул SiH4 не превышает 10 %. При данном давлении SiH4 (p = 0,375 Toрр) на Рис. 22. Зависимость активного ВЧ тока от приложен- ного ВЧ напряжения. SiH4, зазор между электродами L = 15 мм. Рис. 23. Зависимость активного ВЧ тока от приложен- ного ВЧ напряжения. SiH4, зазор между электродами L = 25 мм. Рис. 24. Зависимость интенсивностей пиков SiH4 + и H2 + от приложенного ВЧ напряжения для зазора между электродами L = 25 мм и давления SiH4 p = 0,375 Toрр. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 163 начальном участке ВАХ (вблизи погасания разряда) рост активного разрядного тока и пе- реход из α- в δ-моду происходят при практи- чески неизменном ВЧ напряжении, при этом быстро увеличивается степень диссоциации молекул SiH4. Затем рост разрядного тока со- провождается увеличением ВЧ напряжения, и в δ-моде степень диссоциации может дости- гать 50 − 70 %. Высокие степени диссоциа- ции молекул SiH4 (от 35% до 70%) получены также авторами [73], что согласуется с наши- ми результатами. При ВЧ напряжениях от Urf = 220 В до Urf = 440 В активный разрядный ток и сте- пень диссоциации молекул SiH4 сохраняются практически неизменными с ростом Urf. При Urf = 440 В наблюдается быстрый рост раз- рядного тока, увеличивается также и степень диссоциации молекул SiH4. По-видимому, при этом ВЧ напряжении происходит переход из δ- в γ-моду. Это сопровождается значите- льным увеличением интенсивности свечения плазмы вблизи границ приэлектродных слоев. Отметим, что реальная степень диссоциа- ции SiH4 в разрядном объеме должна отли- чаться от измеренной нами. Мы оцениваем степень диссоциации по интенсивности пика SiH4 +, анализируя пробы газовой смеси, взя- той в системе откачки. Однако молекулы SiH4 могут теряться в разряде не только вследствие процессов диссоциации, но и также из-за ря- да химических реакций [70, 72], например: SinHx − + SiH4 → Sin+1Hx’ − + (H или H2), (31) SiH4 + SiH2 → Si2H6, (32) SiH4 + SiH → Si2H3 + H2, (33) SiH4 + Si → Si2H2 + H2, (34) SiH4 + H → SiH3 + H2, (35) SiH4 + Si2H4 → Si3H8, (36) поэтому в данном случае более целесообраз- но использовать термин “обеднение доли сил- ана” [73]. Диссоциация молекул SiH4 электронным ударом может проходить таким образом [72]: SiH4 + e → SiH3 + H + e, (37) SiH4 + e → SiH2 + 2H + e, (38) где вероятность реакций (37) и (38) состав- ляет 17 % и 83 %, соответственно. Для проте- кания реакций диссоциации (37) и (38) нуж- ны электроны с пороговой энергией 8,4 эВ [75]. Как и в описанном выше случае NF3, потенциал ионизации молекул SiH4 (11,65 эВ) значительно превышает потенциалы иониза- ции радикалов SiH3 (8,14 эВ), SiH2 (8,92 эВ) и SiH (7,89 эВ) [76], т.е. образующиеся вслед- ствие диссоциации продукты реакции явля- ются легкоионизуемой добавкой к SiH4. К то- му же энергия, необходимая для процесса диссоциации, близка к энергиям ионизации продуктов реакции. Поэтому после достиже- ния ВЧ напряжением критической величины Uα−δ, когда в разряде появляется достаточно большое количество электронов высокой энергии, интенсивная диссоциация молекул SiH4 и последующая ионизация легкоиони- зуемых радикалов вызывают быстрый рост разрядного тока и переход в диссоциативную δ-моду. Напомним, что в ВЧ разряде в SiH4 наблю- дались две моды: при повышении ВЧ мощ- ности/давления разряд из слаботочной α-мо- ды переходит в более резистивную моду (как полагали авторы [67, 68], сильноточную γ-мо- ду). Однако авторы [69] показали, что этот переход, по-видимому, связан с резким увели- чением потерь электронов из-за прилипания к образовавшимся пылевым частицам, а не с переходом в γ-моду. Затем данную моду стали называть не γ- , а γ′-мода [71]. Анализ данных [67, 68] и результатов на- ших экспериментов показывает, что, по-ви- димому, переход из α-моды в γ′-моду как раз является наблюдаемым нами α-δ переходом. Возникает вопрос о необходимости говорить Рис. 25. Зависимость активного ВЧ тока и степеней диссоциации Dl и Du молекул SiH4 от приложенного ВЧ напряжения для зазора между электродами L = 25 мм и давления p = 0,375 Toрр. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4164 о δ-моде, если уже есть γ′-мода. Отметим, что обозначение γ′ призвано показать различие между данной модой и γ-модой, где вторич- ные электроны, эмитированные из электро- дов благодаря бомбардировке положитель- ными ионами, играют доминирующую роль в поддержании разряда. При этом в α-моде пылевые частицы отсутствуют, в то время как в γ′-моде пылевые частицы играют важную роль в разряде [71]. Однако очевидно, что если в α-моде пылевые частицы отсутствуют, то при переходе в γ′-моду должен появиться дополнительный процесс (не игравший за- метной роли в α-моде), который приведет к образованию пыли в разрядном объеме. По нашему мнению, этим процессом явля- ется диссоциация молекул SiH4 электронным ударом ((37) и (38)). В пользу этого говорит тот факт, что переход в δ-моду сопровож- дается как появлением пылевых частиц, так и резким увеличением скорости осаждения пленки a-Si:H [67, 68]. Как известно [77], для осаждения пленки a-Si:H необходимо нали- чие радикалов SiH2 и SiH3. Для появления этих молекул вследствие реакций диссоциа- ции (37) и (38), как мы сказали выше, в раз- ряде должны присутствовать электроны с по- роговой энергией 8,4 эВ [75]. Нейтральные и отрицательно заряженные радикалы SiH3 − принимают участие в образовании пылевых частиц [71]. Конечно же, появившиеся пыле- вые частицы, заряженные к тому же отрицате- льно, приведут к повышенным потерям элек- тронов и, как следствие, к росту ВЧ элект- рического поля в плазменном объеме и увели- чению скорости диссоциации молекул SiH4 [71]. Но это будет уже следствием процесса, причиной которого является “включение” диссоциации молекул SiH4 электронным уда- ром при достаточно высоком ВЧ напряжении. Поэтому мы и предлагаем называть данную моду не γ′-модой, а δ-модой. Обозначение “γ′” было выбрано, чтобы показать отличие этой моды от сильноточной γ-моды, и не несет ка- кой-либо информации о процессах, играю- щих роль в разряде в данной моде. Мы выбрали букву “δ” не случайно, т.к. греческое слово “диссоциация” (“διασπαση”) начина- ется с нее. К тому же γ′-мода ассоциируется с режи- мом появления пылевых частиц, и присуща только SiH4 [71]. Однако мы показали выше, что переход ВЧ разряда из α-моды в более резистивную диссоциативную δ-моду наблю- дается также в NF3, который ни образует пы- левых частиц, ни осаждает каких-либо пле- нок, но имеет при этом очень похожие вольт- амперные характеристики разряда, как и в SiH4. Диссоциативная δ-мода существует в SF6 и смесях SF6 с кислородом, которые также не образуют пылевых частиц или пленок. Поэтому диссоциативная δ-мода присуща ряду газов, и образование в SiH4 пылевых частиц, а также повышенная скорость осаж- дения пленки a-Si:H [67] являются просто побочными явлениями, следствием горения δ-моды. По-видимому, очень важную роль в появ- лении диссоциативной δ-моды играют также отрицательные ионы. Например, в SF6 и в смесях SF6 с кислородом в процессах диссо- циации и диссоциативного прилипания воз- никают ионы SF6 −, SF5 −, SF3 −, F2 −, F− и O− [25]. В NF3 высвобождается большое количество фтора, образующего отрицательные ионы F2 − и F−. В SiH4 появляются не только отрицате- льные ионы SiH3 −, SiH2 − и H−, но и отрицате- льно заряженные пылевые частицы [71]. Об- разование отрицательных ионов/частиц по- вышает резистивность разряда [25], увеличи- вает ВЧ электрическое поле в плазме, что ус- коряет процесс диссоциации молекул. Переход разряда в SiH4 из α- в δ-моду про- исходит при достижении разрядными пара- метрами следующих пороговых значений: P d l v/ p S = 0 ,11 ± 0 , 0 4 Вт / ( см 2 Toрр ) , jrf = 0,9 ± 0,3 мA/см2. Эти данные хорошо со- гласуются с результатами работы [68] для перехода из α- в более резистивную моду Pdlv/pS = 0,081 Вт/(см2 Toрр), jrf = 0,6 мA/см2. ВЫВОДЫ Мы экспериментально исследовали ВЧ ем- костный разряд в NF3, SiH4 и SF6 низкого дав- ления, измерив вольт-амперные характерис- тики, масс-спектры газа, выходящего из раз- рядного зазора, зондовым методом опреде- лили внутренние параметры плазмы (темпе- ратуру электронов, потенциал плазмы, функ- ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 165 ции распределения электронов), а также из- мерили интенсивность оптического излуче- ния разряда для некоторых длин волн. Полу- чено, что ВЧ разряд в SF6, NF3 и SiH4 (а также в смесях SF6 + O2) может существовать в трех различных модах: слаботочной α-моде, силь- ноточной γ-моде и диссоциативной δ-моде, которая является промежуточной между α- и γ-модами. В слаботочной α-моде ионизация молекул газа осуществляется электронами, выметенными из слоя его движущейся грани- цей. В диссоциативной δ-моде диссоциация молекул газа и последующая ионизация сфор- мированных радикалов выполняется электро- нами, получившими энергию благодаря джоу- леву нагреву в ВЧ электрическом поле в плаз- менном объеме. Диссоциативная δ-мода ха- рактеризуется высокой степенью диссоциа- ции молекул SF6 (до 35%), NF3 (практически до 100%) и SiH4 (до 70%) электронным ударом, высокими температурой электронов, плотностью плазмы и высоким током прово- димости ВЧ разряда. Диссоциативный режим появляется, начиная с некоторого порогового ВЧ напряжения, когда в ВЧ разряде имеется достаточное количество электронов высокой энергии, способных при столкновении с мо- лекулами вызвать их диссоциацию. При этом потенциалы ионизации образовавшихся ра- дикалов заметно меньше потенциала иониза- ции молекул, поэтому эти радикалы играют роль легкоионизуемой добавки. В сильно- точной γ-моде электронные лавины, разви- вающиеся в приэлектродных слоях, домини- руют как источник заряженных частиц. ЛИТЕРАТУРА 1. Левитский С.М. Исследование потенциала зажигания высокочастотного разряда в газе в переходной области частот и давлений// ЖТФ. – 1957. – Т. 2, № 5. – С. 970-977. 2. Кропотов Н.Ю., Лисовский В.А., Кача- нов Ю.А., Егоренков В.Д., Фареник В.И. Осо- бенности вольт-амперных характеристик сла- боточной формы высокочастотного разряда Е-типа//Письма в ЖТФ. – 1989. – Т. 15, № 21. – С. 17-21. 3. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостный разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения. – М.: Изд-во МФТИ; Наука-Физматлит, 1995.–320с. 4. Яценко Н.А. Сильноточный ВЧЕ разряд сред- него давления//ЖТФ. – 1980. – Т. 50, № 11. – С. 2480-2483. 5. Яценко Н.А. Связь высокого постоянного по- тенциала плазмы с режимом горения высоко- частотного емкостного разряда среднего дав- ления//ЖТФ. – 1981. – Т. 51, № 6. – С. 1195- 1204. 6. Belenguer Ph., Boeuf J.P. Transition between different regimes of rf glow discharges//Phys. Rev. A. – 1990. – Vol. 41, No. 8. – P. 4447-4459. 7. Godyak V.A., Khanneh A.S. Ion bombardment secondary electron maintenance of steady RF discharge//IEEE Trans. Plasma Sci. – 1986. – Vol. PS-14, No. 2. – P. 112-123. 8. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н. Структура при- электродных слоев высокочастотного разряда и переход между двумя его формами//Физика плазмы. – 1987. – Т. 13, № 4. – С. 471-479. 9. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н. Нагрев молеку- лярного газа в высокочастотном емкостном разряде и его влияние на переход между α- и γ-формами//Физика плазмы. – 1990. – Т. 16, № 7. – С. 878-884. 10. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н. Фарадеево про- странство в высокочастотном разряде γ-типа и влияние давления на эффект нормальной плотности тока α−разряда и характер α−γ пе- рехода//Физика плазмы. – 1992. – Т. 18, № 11. – С. 1476-1488. 11. Godyak V.A., Piejak R.B., Alexandrovich B.M. Electrical characteristics of parallel-plate RF dis- charges in argon//IEEE Trans. Plasma Sci. – 1991. – Vol. 19, No. 4. – P. 660-676. 12. Vidaud P., Durrani S.M.A., Hall D.K. Alpha and gamma RF capacitative discharges in N2 at inter- mediate pressures//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1988. – Vol. 21, No. 1. – P. 57-66. 13. Vitruk P.P., Baker H.J., Hall D.K. The charac- teristics and stability of high power transverse radio frequency discharges for waveguide CO2 slab laser excitation//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1992. – Vol. 25, No. 12. – P. 1767-1776. 14. Shi J.J., Kong M.G. Mechanisms of the α and modes in radio-frequency atmospheric glow dis- charge//J. Appl. Phys. – 2005. – Vol. 97, No. 2. – P. 023306 (1-6). 15. Лисовский В.А., Красников О .В., Егорен- ков В.Д. Альфа-гамма переход и НЧ неустой- чивость ВЧ разряда низкого давления//Пись- ма в ЖТФ. – 1993.– Т. 19, Вып. 21. – С. 90-95. 16. Christophorou L.G., Olthoff J.K., Van Brunt R.J. Sulfur Hexafluoride and the Electric Power In- dustry//IEEE Electrical Insulation Magazine. – 1997. – Vol. 13, No. 1. – P. 20-24. В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4166 17. Picard A., Turban G., Grolleau B. Plasma diagno- stics of a SF6 radio-frequency discharge used for the etching of silicon//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1986. – Vol. 19, No. 6. – P. 991-1006. 18. Kline L.E. Electron and Chemical Kinetics in the Low-Pressure RF Discharge Etching of Sili- con in SF6//IEEE Trans. Plasma Sci. – 1986. – Vol. 14, No. 2. – P. 145-155. 19. Anderson H.M., Merson J.A., Light R.W. A Kinetic Model for Plasma Etching Silicon in a SF6/O2 RF Discharge/ IEEE Trans. Plasma Sci.– 1986. – Vol. 14, No. 2. – P. 156-164. 20. Maundrill D., Slatter J., Spiers A.I., Welch C.C. Electrical measurements of RF-generated plas- mas using a driven electrostatic probe technique //J. Phys. D: Appl. Phys.– 1987.– Vol. 20, No. 7. – P. 815-819. 21. Suganomata S., Ishikawa I., Ohmoto S., Akit- su T., Saito Y. Spatiotemporal Variation of Light Emission from SF6 Parallel-Plate Discharge at Frequencies of 100 and 500 kHz//Jpn. J. Appl. Phys.–1989. – Vol. 28, No. 12. – P. L2265-L2266. 22. Bletzinger P. Experimental characteristics of RF parallel-plate discharges: Influence of attaching gases//J. Appl. Phys. – 1990. – Vol. 67, No. 1. – P. 130-138. 23. Radovanov S.B., Tomcik B., Petrovic Z.Lj., Jelenkovic B.M. Optical emission spectroscopy of rf discharge in SF6//J. Appl. Phys. – 1990. – Vol. 67, No. 1. – P. 97-107. 24. Utagikar A., Thompson B.E. Time-resolved mea- surements of electron and ion concentrations in low-frequency sulfur hexafluoride discharges// J. Vac. Sci. Technol. A. – 1992.– Vol. 10, No. 4. – P. 1201-1206. 25. Kakuta S., Petrovic Z.Lj., Tochikubo F., Makabe T. Influence of frequency, pressure, and mixture ratio of electronegative gas on electrical charac- teristics of rf discharges in N2-SF6 mixtures//J. Appl. Phys. – 1993. – Vol. 74, No. 8. – P. 4923- 4931. 26. Nakano N., Petrovic Z.Lj., Makabe T. The Radi- cal Transport in the Narrow-Gap-Ion Etcher in SF6 by the Relaxation Continuum Model//Jpn. J. Appl. Phys. – 1994. – Vol. 33, No. 4B. – P. 2223-2230. 27. St-Onge L., Sadeghi N., Booth J.P., Margot J., Barbeau C. On the formation and loss os S2 mole- cules in a reactive ion etching reactor operating with SF6//J. Appl. Phys.– 1995.–Vol. 78, No. 12. – P. 6957-6966. 28. Becker F., Rangelow I.W., Kassing R. Ion energy distribution in SF6 plasmas at a radio-frequency powered electrode//J. Appl. Phys. – 1996. – Vol. 80, No. 1. – P. 56-65. 29. Kono A., Endo M., Ohata K., Kishimoto S., Go- to T. Charged particle densities and kinetics in a radio-frequency SF6 plasma//J. Appl. Phys. – 1994. – Vol. 76, No. 11. – P. 7221-7230. 30. Okuno Y., Ohtsu Y., Fujita H. Potential structures in asymmetrical radio frequency discharges containing negative ions//Physics Letters A. – 1994. – Vol. 193, No. 1. – P. 94-96. 31. Klick M., Kammeyer M., Rehak W., Kasper W., Awakowicz P., Franz G. Innovative plasma diag- nostics and control of process in reactive low- temperature plasmas//Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 98, No. 1-3. – P. 1395- 1399. 32. Kawata H., Kubo T., Yasuda M., Murata K. Po- wer measurements for radio-frequency dischar- ges with a parallel-plate-type reactor//J. Elect- rochem. Soc. –1998. – Vol. 145, No. 5. – P. 1701- 1708. 33. Mateev E., Zhelyazkov I. Macroscopic model for the energy balance of an asymmetric capacitively coupled rf discharge//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1999. – Vol. 32, No. 23. – P. 3019-3024. 34. Khairallah Y., Khonsari-Arefi F., Amouroux J. Decomposition of gaseous dielectrics (CF4, SF6) by a non-equilibrium plasma. Mechanisms, kine- tics, mass spectrometric studies and interactions with polymeric targets//Pure & Appl. Chem. – 1994. – Vol. 66, No. 6. – P. 1353-1362. 35. Foest R., Olthoff J.K., Van Brunt R.J., Benck E.C., Roberts J.R. Optical and mass spectromet- ric investigations of ions and neutral species in SF6 radio-frequency discharges//Phys. Rev. E. – 1996. – Vol. 54, No. 2. – P. 1876-1887. 36. Koike K., Fukuda T., Fujikawa S., Saeda M. Stu- dy of CF4, C2F6, SF6 and NF3 decomposition cha- racteristics and etching performance in plasma state//Jpn. J. Appl. Phys.–1997.–Vol. 36, No. 9A. – P. 5724-5728. 37. Noding M., Becker F., Kassing R. Diagnostics of SF6 plasmas by energy-resolved mass spect- rometry: influence of the electrode material on internal plasma parameters//Surface and Co- atings Technology. – 1999. – Vol. 111, No. 1. – P. 51-55. 38. Ogle D.B., Woolsey G.A. Diffuse and constricted glow discharges in SF6//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1987. – Vol. 20, No. 4. – P.453. 39. Lisovskiy V., Booth J.-P., Martins S., Landry K., Douai D., Cassagne V. Extinction of RF capac- itive low-pressure discharges//Europhys. Lett. – 2005. – Vol. 71, No. 3. – P. 407-411. 40. Nakano N., Makabe T. Influence of driving fre- quency on narrow-gap reactive-ion etching in SF6//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1995. – Vol. 28, No. 1. – P. 31-39. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4 167 41. Sommerer T.J., Kushner M.J. Numerical inves- tigation of the kinetics and chemistry of rf glow discharge plasmas sustained in He, N2, O2, He/ N2/O2, He/CF4/O2, and SiH4/NH3 using a Monte Carlo-fluid hybrid model//J. Appl. Phys. – 1992. – Vol. 71, No. 4. – P. 1654-1673. 42. Lymberopoulos D.P., Economou D.J. Spatio- temporal electron dynamics in radio-frequency glow discharges: fluid versus dynamic Monte Carlo simulations//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1995. – Vol. 28, No. 4. – P. 727-737. 43. Boeuf J.P. and Belenguer Ph. Fundamental pro- perties of RF glow discharges: an approach based on self-consistent numerical models. Plenum, New York//Nonequilibrium Processes in Parti- ally Ionized Gases/ed. By M. Capitelli and J.N. Bardsley. – 1990. – Р. 155-186. 44. Shibata M., Nakano N., Makabe T. O2RF dis- charge structure in parallel plates reactor at 13.56 MHz for material processing//J. Appl. Phys. – 1995. – Vol. 77, No. 12. – P. 6181-6187. 45. Makabe T., Tochikubo F., Nishimura M. Influen- ce of negative ions in rf glow discharges in SiH4 at 13.56 MHz//Phys. Rev. A. – 1990. – Vol. 42, No. 6. – P. 3674-3677. 46. Segawa S., Kurihara M., Nakano N., Makabe T. Dependence of Driving Frequency on Capaci- tively Coupled Plasma in CF4//Jpn. J. Appl. Phys. – 1999. – Vol. 38B, No. 7. – P. 4416-4422. 47. Pitchford L.C., Belenguer Ph., Boeuf J.P. Micro- wave Discharges: Fundamentals and Applicati- ons/ Ed. by Ferreira C.M. and Moisan M//New York: Plenum Press. – 1993. – P. 359. 48. Gottscho R.A. Glow-discharge sheath electric fields: Negative-ion, power, and frequency ef- fects//Phys. Rev. A. – 1987. – Vol. 36, No. 5. – P. 2233-2242. 49. Iio M., Goto M., Toyoda H., Sugai H. Relative Cross Sections for Electron-Impact Dissociation of SF6 into SFx (x= 1 – 3) Neutral Radicals//Con- trib. Plasma Phys. – 1995. – Vol. 4, No. 5. – P. 405-413. 50. Tarnovsky V., Deutsch H., Martus K.E., Bec- ker K. Electron Impact Ionization of the SF5 and SF3 free radicals//J. Chem. Phys. – 1998. – Vol. 109, No. 16. – P. 6596-6600. 51. Langan J., Maroulis P., Ridgeway R. Strategies for greenhouse gas reduction//Solid State Tech- nology. – 1996. – Vol. 39, No. 1. – P. 115-119. 52. Andries B., Ravel G., Peccoud L. Electrical cha- racterization of radio-frequency parallel-plate ca- pacitively coupled discharges//J. Vac. Sci. Tech- nol. A. – 1989. – Vol. 7, No. 4. – P. 2774-2783. 53. Entley W.R., Langan J.G., Felker B.S., Sobole- wski M.A. Optimizing utilization efficiencies in electronegative discharges: The importance of the impedance phase angle//J. Appl. Phys. – 1999. – Vol. 86, No. 9. – P. 4825-4835. 54. Langan J.G., Beck S.E., Felker B.S., Ryn- ders S.W. The role of diluents in electronegative fluorinated gas discharges//J. Appl. Phys. – 1996. – Vol. 79, No. 8. – P. 3886-3894. 55. Kastenmeier B.E.E., Matsuo P.J., Oehrlein G.S., Langan J.G. Remote plasma etching of silicon nitride and silicon dioxide usinf NF3/O2 gas mix- tures//J. Vac. Sci. Technol. A. – 1998. – Vol. 16, No. 4. – P. 2047-2056. 56. Reese R.M., Dibeler V.H. Ionization and Disso- ciation of Nitrogen Trifluoride by Electron Im- pact//J. Chem. Physics. – 1956. – Vol. 24, No. 6. – P. 1175-1177. 57. Hsueh H.-P., McGrath R.T., Ji B., Felker B.S., Langan J.G., Karwacki E.J. Ion energy distribu- tions and optical emission spectra in NF3-based process chamber cleaning plasmas//J. Vac. Sci. Technol. B. – 2001. – Vol. 19, № 4. – P. 1346- 1357. 58. Donnelly V.M., Flamm D.L., Dautremont- Smith W.C., Werder D.J. Anisotropic etching of SiO2 in low-frequency CF4/O2 and NF3/Ar plas- mas//J. Appl. Physics. – 1984.– Vol. 55, No. 1. – P. 242-252. 59. Dan Loughran E., Mader Ch. Appearance Poten- tial Study of Tetrafluorohydrazine//J. Chem. Physics. – 1960. – Vol. 32, No. 5. – P. 1578-1579 60. Rescigno T.N. Low-energy electron collision processes in NF3//Phys. Rev. A.– 1995.– Vol. 52, No. 1. – P. 329-333. 61. Konuma M., Bauser E. Mass and energy analysis of gaseous species in NF3 plasma during silicon reactive ion etching//J. Appl. Physics. – 1993. – Vol. 74, No. 1. – P. 62-67. 62. Misium G.R. Macroscopic modeling of oxygen plasmas//J. Vac. Sci. Technol. A.– 1990.–Vol. 8, No. 3. – P. 1642-1647. 63. Surendra M., Graves D.B. Capacitively coupled glow discharges at frequencies above 13.56 MHz //Appl. Phys. Lett. – 1991. – Vol. 59, No. 17. – P. 2091-2093. 64. Godyak V.A., Piejak R.B., Alexandrovich B.M. Evolution of the electron-energy-distribution function during RF discharge transition to the high-voltage mode//Phys. Rev. Lett. – 1992. – Vol. 68, No. 1. – P. 40-43. 65. Bryant P., Dyson A., Allen J.E. Langmuir probe measurements of weakly collisional electrone- gative RF discharge plasmas//J. Phys. D: Appl. Phys. – 2001. – Vol. 34, No. 1. – P. 95-104. 66. Makabe T., Tochikubo F., Nishimura M. Influ- ence of negative ions in RF glow discharges in SiH4 at 13.56 MHz//Phys. Rev. A. – 1990. – Vol. 42, No. 6. – P. 3674-3677. 67. Perrin J., Roca I., Cabarrocas P., Allain B., Friedt J.-M. a-Si:H Deposition from SiH4 and Si2H6 RF-Discharges: Pressure and Temperature Dependence of Film Growth in Relation to α-γ В.А. ЛИСОВСКИЙ ФІП ФИП PSE, 2006, т. 4, № 3 – 4, vol. 4, No. 3 – 4168 Discharge Transition//Jpn. J. Appl. Phys. – 1988. – Vol. 27, No. 11. – P. 2041-2052. 68. Bohm Ch., Perrin J. Spatially resolved optical emission and electrical properties of SiH4 RF dis- charges at 13.56 MHz in a symmetric parallel- plate configuration//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1991. – Vol. 24, No. 6. – P. 865-881. 69. Boeuf J.P., Belenguer Ph. Transition from a capa- citive to a resistive regime in a silane radio frequ- ency discharge and its possible relation to powder formation//J. Appl. Phys.–1992.–Vol. 71, No. 10. – P. 4751-4754. 70. Perrine J. Modelling of the power dissipation and rovibrational heating and cooling in SiH4 – H2 RF glow discharges//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1993. – Vol. 26, No. 10. – P. 1662-1679. 71. Fridman A.A., Boufendi L., Hbid T., Potap- kin B.V., Bouchoule A. Dusty plasma formation: Physics and critical phenomena. Theoretical approach//J. Appl. Phys. – 1996. – Vol. 79, No. 3. – P. 1303-1314. 72. Nienhuis G.J., Goedheer W.J., Hamers E.A.G., van Sark W.G.J.H.M., Bezemer J. A self-consis- ДИСОЦІАТИВНА МОДА ВЧ ЄМНІСНОГО РОЗРЯДУ НИЗЬКОГО ТИСКУ В.О. Лісовський У роботі наведено результати експеримента- льного дослідження ВЧ ємнісного розряду у SF6, NF3 та SiH4 низького тиску. Знайдено, що ВЧ роз- ряд у цих газах може існувати не лише у слабко- струмовій (α-) та сильнострумовій (γ-) модах, але й у дисоціативній δ-моді (pис. 10). Ця δ-мода характеризується високим ступенем дисоціації молекул газу, високими густиною плазми, тем- пературою електронів та активним струмом роз- ряду (Irf cos(ϕ)), і є проміжною між α та γ-мода- ми. Причиною появи δ-моди є різке збільшення швидкості дисоціації молекул газу електронами, починаючи з деякої порогової величини ВЧ на- пруги. При цьому порогова енергія іонізації ради- калів, що виникають (SFx x = 1 – 5, NFx x = 1 – 2 та SiHx x = 1 – 3), менша за потенціал іонізації молекул SF6, NF3 та SiH4. Встановлено, що існу- ючий у анодній фазі приелектродного шару в електронегативних газах подвійний шар відіграє важливу роль у підтриманні як α-моди, так й δ- моди, але він не є причиною переходу ВЧ розряду із α- у δ-моду. DISSOCIATIVE MODE IN LOW-PRESSURE RF DISCHARGE V.A. Lisovskiy This paper presents the results of experimental stu- dying rf capacitive discharge in low-pressure SF6, NF3 and SiH4. The rf discharge in these gases is shown to exist not only in weak-current (α-) and strong-current (γ-) modes but also in a dissociative δ-mode. This δ-mode is characterized by a high degree of molecules dissociation, high plasma den- sity, electron temperature and active discharge cur- rent, and it is intermediate between α- and γ-modes. The δ-mode appears due to a sharp increase in the dissociation rate of gas molecules via electron im- pact starting after a certain threshold value of RF voltage. At the same time the threshold ionization energy of radicals (SFx x = 1 – 5, NFx x = 1 – 2 and SiHx x = 1 – 3) formed is below the ionization po- tential of SF6, NF3 and SiH4 molecules. The double layer existing in the anode phase of the near-elect- rode sheath is shown to play an important role in sustaining the α- mode as well as δ-mode but it is not a cause of the rf discharge transition from α- to δ-mode. tent fluid model for radio-frequency discharges in SiH4 – H2 compared to experiments//J. Appl. Phys. – 1997. – Vol. 82, No. 5. – P. 2060-2071. 73. Sansonnens L., Howling A.A., Hollenstein Ch. Degree of dissociation measured by FTIR ab- sorption spectroscopy applied to VHF silane plasmas//Plasma Sources Sci. Technol. – 1998. – Vol. 7, No. 2. – P. 114-118. 74. Lyka B., Amanatides E., Mataras D. Simulation of the Electrical Properties of SiH4/H2 RF Dis- charges//Japan. J. Appl. Phys. – 2006. – Vol. 45, No. 10B. – P. 8172–8176. 75. Sakai Y. Database in low temperature plasma modelling//Applied Surface Science. – 2002. – Vol. 192. – P. 327-338. 76. Ali M.A., Kim Y.-K., Hwang W., Weinber- ger N.M., Rudd M.E. Electron-impact total ioni- zation cross sections of silicon and germanium hydrides//J. Chem. Phys. – 1997.– Vol. 106, No. 23. – P. 9602-9608. 77. Grill A. Cold plasma in materials fabrication. – New York: IEEE Press. – 1994. – 192 p. ДИССОЦИАТИВНЫЙ РЕЖИМ ВЧ ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Диссоциативный режим ВЧ емкостного разряда низкого давления

Institution

Ähnliche Einträge