Гладковський Володимир Володимирович Властивості хімічно активної плазми ємнісного ви­сокочастотного розряду в керованих магнітних полях

brief description

Гладковський Володимир Володимирович, молодший науковий співробітник відділу фізики плазми та плазмо­вих технологій Інституту ядерних досліджень НАН Укра­їни: «Властивості хімічно активної плазми ємнісного ви­сокочастотного розряду в керованих магнітних полях» (01.04.08 - фізика плазми). Спецрада Д 26.001.31 у Ки­ївському національному університеті імені Тараса Шев­ченка МОН України

Інститут ядерних досліджень
Національна академія наук України
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Міністерство освіти і науки України
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
ГЛАДКОВСЬКИЙ ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 533.9
ДИСЕРТАЦІЯ
ВЛАСТИВОСТІ ХІМІЧНО АКТИВНОЇ ПЛАЗМИ ЄМНІСНОГО
ВИСОКОЧАСТОТНОГО РОЗРЯДУ В КЕРОВАНИХ
МАГНІТНИХ ПОЛЯХ
01.04.08 – фізика плазми
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
________________ Гладковський В. В.
Науковий керівник: ФЕДОРОВИЧ ОЛЕГ АНТОНОВИЧ
кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
Київ – 2019

ЗМІСТ
ВСТУП ........................................................................................................................ 19
Розділ 1 ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ ............................................................................... 28
1.1. Високочастотний ємнісний розряд ................................................................... 28
1.2. Плазмохімічна обробка матеріалів ................................................................... 32
1.2.1. Механізм травлення кремнію у фторвмісному середовищі .................... 34
1.2.2. Вплив добавок кисню на процес травлення в CF4 .................................... 37
1.2.3. Вплив добавок кисню на процес травлення в SF6 .................................... 39
1.2.4. Залежність травлення від напруги автозміщення ..................................... 43
1.3. Дослідження хімічно активної плазми ............................................................. 44
1.3.1. Методи дослідження плазми ....................................................................... 44
1.3.2. Спектроскопія - метод діагностики компонентного складу плазми ...... 47
1.3.3. Мас-спектрометрія – метод досліджень хімічно активної плазми ......... 50
Висновки до розділу 1 .............................................................................................. 53
Розділ 2 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ УСТАНОВКИ, МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ
ПЛАЗМИ ТА ОБРОБЛЮВАНИХ МАТЕРІАЛІВ ................................................. 54
2.1. Експериментальні установки ............................................................................ 54
2.1.1. Плазмохімічний реактор циліндричного типу .......................................... 55
2.1.2. Плазмохімічний реактор планарного типу ................................................ 59
2.1.3. Вимірювання електрофізичних параметрів розряду ................................ 61
2.2. Методики досліджень компонентного складу плазми ................................... 62
2.2.1. Оптична методика ........................................................................................ 63
2.2.2. Мас-спектрометрична методика ................................................................. 64
2.3. Методи діагностики оброблених матеріалів в плазмохімічному реакторі .. 68
16
2.3.1. Рентгеноспектральний аналіз ..................................................................... 68
2.3.2. Вторинна іонна мас-спектрометрія ............................................................ 69
Розділ 3 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВЕДІНКИ НАПРУГИ АВТОЗМІЩЕННЯ В
ПЛАЗМОХІМІЧНИХ РЕАКТОРАХ З КЕРОВАНИМИ МАГНІТНИМИ
ПОЛЯМИ ................................................................................................................... 72
3.1. Дослідження впливу розрядного струму на напругу автозміщення............. 72
3.2. Дослідження впливу напруженості та конфігурації магнітного поля на
напругу автозміщення ............................................................................................... 75
3.3. Дослідження впливу витрат робочого газу на утворення напруги
автозміщення ............................................................................................................. 81
3.4. Вплив тиску робочих газів на напругу автозміщення .................................... 82
3.5. Вплив високочастотної напруги на потенціал автозміщення ....................... 87
Висновки до розділу 3 .............................................................................................. 89
Розділ 4 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ПЛАЗМОХІМІЧНОГО ТРАВЛЕННЯ В
РЕАКТОРІ З КЕРОВАНИМ МАГНІТНИМ ПОЛЕМ ........................................... 91
4.1. Дослідження впливу напруженості магнітного поля на швидкість та
анізотропію травлення .............................................................................................. 91
4.2. Дослідження впливу розрядного струму на швидкість плазмохімічного
травлення кремнію .................................................................................................... 93
4.3. Вплив тиску робочих газів на швидкість та анізотропію травлення кремнію
..................................................................................................................................... 95
4.4. Особливості плазмохімічного травлення при додаванні кисню ................... 97
4.5. Вплив напруги зміщення на шидкість травлення кремнію ......................... 100
4.6. Дослідження елементного складу поверхні оброблених кремнієвих зразків
методами рентгенівської та вторинно-іонної діагностики ................................. 101
17
4.7. Вплив напруги зміщення на текстуру поверхні матеріалу .......................... 105
4.8. Взаємодія іонів водню з матеріалами ............................................................ 107
Висновки до розділу 4 ............................................................................................ 113
Розділ 5 ДОСЛІДЖЕННЯ КОМПОНЕНТНОГО СКЛАДУ ПЛАЗМИ
ВИСОКОЧАСТОТНОГО РОЗРЯДУ ..................................................................... 115
5.1. Дослідження емісійного спектру плазми ВЧ розряду .................................. 115
5.2. Спектроскопія ВЧ розряду в магнітному полі в атмосфері аргону ............ 120
5.2. Якісна мас-спектрометрична діагностика плазми ВЧ розряду в керованих
магнітних полях ....................................................................................................... 121
5.2.1. Експериментальні дослідження компонентного складу плазми при
розрядах в SF6 ....................................................................................................... 121
5.2.2. Дослідження компонентного складу ВЧ розряду в фторвуглецевих газах
................................................................................................................................ 124
5.3. Мас-спектрометрія компонентного складу плазми в процесі плазмохімічного
травлення кремнію .................................................................................................. 127
Висновки до розділу 5 ............................................................................................ 128
ВИСНОВКИ ............................................................................................................. 130
Список використаних джерел ................................................................................ 132
ДОДАТОК А ............................................................................................................ 148
ДОДАТОК В ............................................................................................................ 152

bibliography

ВИСНОВКИ
1. Було показано, що величину напруги автозміщення в плазмохімічних реакторах
з керованим магнітним полем можна регулювати з допомогою зміни
інтенсивності та конфігурації магнітного поля. У ВЧЄ розряді в керованому
магнітну полі спостерігаються суттєві відмінності в утворенні негативної
напруги автозміщення в порівнянні з розрядами без магнітних полів.
2. Встановлено зменшення швидкості травлення кремнію при збільшенні величини
негативної напруги зміщення при незмінних інших умовах розрядів. Таку
поведінку швидкості травлення пояснено через механізм блокування
оброблюваної поверхні елементами конструкцій ПХР, внаслідок їхнього
розпорошення.
3. Встановлений лінійний механізм травлення, в рамках якого пояснено, що
швидкості травлення кремнію лінійно збільшується з ростом напруженості
магнітного поля.
4. Вперше вивчена зміна спектрів випромінювання плазми ВЧЄ розряду в
залежності від напруги керованого зміщення. Встановлено, що з ростом
величини негативної напруги автозміщення понад 200 В на спектрах
випромінювання плазми з'являються лінії збуджених атомів металів. При цьому
лінії молекулярних смуг та атомарних ліній, які належать продуктам дисоціації
робочого газу, практично не спостерігаються.
5. Показано, що напруга автозміщення також відіграє важливу роль в формуванні
текстури поверхні оброблюваних матеріалів. Після обробки кремнію при
високих напругах зміщення спостерігається значна шорсткість поверхні, яка
зменшується із зменшенням величини напруги автозміщення.
6. Визначені найбільш ефективні режими для травлення, як кремнію, так і інших
напівпровідникових матеріалів. Для мінімізації забруднення оброблюваних
матеріалів елементами конструкцій ПХР слід проводити травлення при
негативних напругах зміщення менших 200 В.
131
7. Виявлено утворення поверхневого блістерінгу на поверхні алюмінію в результаті
його обробки низькоенергетичними іонами водню з енергією 250 еВ та
температурі додаткового нагріву 300 оС. При цьому спостерігається збільшення
концентрації водню по глибині в оброблюваних зразках алюмінію. В основі
утворення блістерінгу та збільшення концентрації водню можуть лежати декілька
механізмів, наприклад: дифузія водню в полях напружень прихованих дефектів
(пошкоджень), хімічна абсорбція, фізична абсорбція і т.п. Слід відзначити, що
саме наявність додаткового нагріву зразків, відповідає за проявлення ефекту
блістерінгу та росту концентрації водню в зразках.
На завершення викладу матеріалу хочу висловити подяку моєму науковому
керівнику кандидату фіз.-мат. наук Федоровичу Олегу Антоновичу за наукові
консультації, підтримку, за створення умов для роботи та навчання у відділі
"Фізики плазми та плазмових технологій ІЯД НАН України".
Висловлюю щиру вдячність провідному інженеру Полозову Борису Павловичу
за сприяння в експериментальній частині роботи та всебічну допомогу на різних
етапах роботи.
Також висловлюю щиру подяку співробітникам відділу за допомогу у
вирішенні будь-яких робочих питань: А. Г. Борисенку, В.Ф. Вірку, Є. Г. Костіну,
О.А. Рокицькому.
Щира подяка моїм близьким та сім’ї за віру, натхнення та підтримку.