Современные проблемы физики газового разряда

д.ф.-м.н., доц. С.А.Двинин	к. П-79, т. (495)939-48-39
д.ф.-м.н., доц. В.П.Савинов	к. Ц-60а (левая), т. (495)939-14-34
к.ф.-м.н., н.с. В.Л.Ковалевский	к. Ц-60а (левая), т. (495)939-14-34
к.ф.-м.н., н.с. В.С.Свиридкина	к. П-79, т. (495)939-48-39

Лаборатория занимается исследованиями различных типов газовых разрядов. Научные интересы группы лежат в области классической физики газового разряда, приэлектродных процессов, СВЧ разряда, плазменной технологии. В группе ведутся как теоретические так и экспериментальные исследования.

Получен ряд фундаментальных результатов в общей теории разряда важных для решения данной проблемы - обобщено уравнение плазмы и слоя Ленгмюра и Тонкса, учитывающее дополнительно перезарядку ионов, применимое при произвольном соотношении между длиной свободного пробега ионов и размерами системы. Теоретически получены двумерные распределения плотности плазмы в реакторе низкого давления при учете инерции ионов.

В работах группы изучаются поверхностные волны, распространяющиеся на границе плазмы с металлом в условиях неравновесности контакта. Именно эти волны определяют существование емкостного ВЧ разряда при больших размерах плазмы и высоких плотностях электронов. Дисперсия этих волн зависит от плотности электронов в плазме, а также от толщины слоя пространственного заряде на границе плазмы с металлом. Поскольку амплитуда колебаний электронов в плазме порядка толщины слоя эти волны оказываются сильно нелинейным объектом, свойства которого в настоящее время недостаточно изучены как теоретически, так и экспериментально. Результаты исследования пространственно-временной структуры этих полей являются определяющими для развития современных технологических реакторов с обрабатываемыми подложками размером до 450 мм.

Исследуются также особенности распределения полей в разряде в СВЧ диапазоне, при использовании щелевых антенн. В настоящее время такие антенны широко используются для возбуждения плазмы в СВЧ диапазоне.

Другим направлением исследований является детальное изучение физических механизмов емкостного ВЧ разряда (ЕВЧР) с целью создания неравновесной плазмы с заданным электронным энергетическим спектром (ЭЭС), применяемой в современных высоких технологиях, лазерной технике, плазменых дисплеях и плазмохимии.

В центре внимания находится изучение механизмов:

формирования неравновесного ЭЭС плазмы ЕВЧР, главными из которых являются инжекция в плазму приэлектродных высокоэнергетичных электронных пучков, возбуждение пучково-плазменных неустойчивостей и периодический коллапс приэлектродных слоев пространственного заряда (ПСПЗ), с помощью которых производится насыщение заданных энергетических интервалов ЭЭС в диапазоне 0-5 кэВ
Значительное внимание уделяется экспериментальному изучению ПСПЗ – измерениям их протяженности и больших скачков потенциала в них, исследованию процессов транспорта зарядов и электронной эмиссии на электродах
Экспериментально устанавливаются физические условия, оптимальные для создания режима ВЧ пучково-плазменного разряда с интенсивными полями плазменных неустойчивостей черенковского типа как основным фактором поддержания разряда и формирования ЭЭС его плазмы
Изучается роль емкостной составляющей в механизме индуктивного ВЧ разряда низкого давления
Разрабатываются оригинальные автоматизированные бесконтактные методы диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы ЕВЧР
В целях разработки метода получения наночастиц с помощью ЕВЧР, отрабатывается методика распыления подложек из различных материалов (Si,C,Ag) ионной и электронной бомбардировкой, для чего планируются измерения плотности и энергии ионных потоков на электроды и приэлектродных электронных пучков

Основные результаты работы:

Экспериментально изучены характеристики электрического поля в приэлектродных слоях пространственного заряда ЕВЧР,где установлено отсутствие ВЧ поля и наличие униполярных импульсов постоянного поля
Оригинальным спектроскопическим методом измерены плотности эмиттированных с поверхности электродов электронов
Экспериментально изучен транспорт зарядов в ПСПЗ ЕВЧР, в результате чего обнаружено возникновение высокоэнергетичных электронных пучков, как приэлектродных, так и с диэлектрических стенок разрядных трубок. Установлена возможность нового, дискретного механизма переноса электронов плазмы на электроды с помощью перемещающихся потенцииальных ям
Экспериментально исследован комплекс электронно-пучковых эффектов в ЕВЧР, включающий в себя процессы формирования и пространственной релаксации пучков по энергии и возбуждение пучково-плазменных неустойчивостей черенковского типа
Экспериментально изучен электронный энергетический спектр плазмы ЕВЧР, в результате чего обнаружено, что сильно неравновесный ЭЭС плазмы значительно варьируется в зависимости от параметров разряда и в исследованных условиях занимал интервал энергий 0-5 кэВ
Экспериментально изучена динамика приэлектродных процессов внутри периода ВЧ поля, определяемая периодическим коллапсом приэлектродного слоя, приводящая к импульсному характеру приэлектродных электронных пучков
Разработан ряд экспериментальных методов диагностики ЕВЧР:
1) бесконтактный метод диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы;
2) спектроскопический метод измерения плотности эмиттированных с по-верхности электродов электронов;
3) ВАХ – метод диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы;
4) бесконтактный метод изучения пространственной релаксации приэлектродных электронных пучков по энергии и др.

Имеющаяся экспериментальная установка позволяет исследовать свойства ВЧ разрядов, использующихся в технологических плазменных установках. Аналогичные установки находят применение при реализации технологических процессах современной микроэлектроники, например,

Ионном травлении поверхности (разряд в аргоне)
Химическом травлении кремния, различных диэлектриков, фоторезистов
Плазмохимическое осаждение из газовой фазы (кремний, двуокись кремния, нитрид кремния и т.п.

Основные направления работы:

Разряд при низком давлении газа. Применяется в плазмохимических реакторах низкого давления
Распространение волн ионизации при различных условиях. Волны ионизации в СВЧ разряде и разряде постоянного тока. Расчет характеристик разряда в сверхзвуковом потоке газа
Физика газового разряда, поддерживаемого поверхностными волнами
Самоорганизация в плазме газового разряда. Плазменные структуры при низком давлении. СВЧ разряд при высоком давлении газа
Экспериментальное изучение процессов в индуктивном разряде низкого давления. Механизмы поглощения ВЧ поля в приэлектродных областях при низком давлении газа. Соотношение емкостной и индуктивной составляющих в плазмохимических реакторах на ВЧ разряде. Условия эффективного вложения энергии в плазму. Разряд поддерживаемый распространяющимися волнами

Кроме того в группе теоретически исследуются следующие задачи:

Распространение волн ионизации при различных условиях. Волны ионизации в СВЧ разряде и разряде постоянного тока. Расчет характеристик разряда в сверхзвуковом потоке газа.
Самоорганизация в плазме газового разряда. Плазменные структуры при низком давлении.

Рис. 1. Зависимость постоянной распространения поверхностной волны от плотности электронов в плазме. Толщина слоя пространственного заряда рассчитывается из предположения, что среднее напряжение на слое равно 300 В (Такое напряжение оптимально для реализации процесса плазмохимического травления). Показаны поверхностные волны для удаленной границы (1, 2) антисимметричная (3, 4) и симметричная (5, 6) поверхностные волны. Эффективная частота столкновений u/w=0.026. Кривые 1, 3, 5 показывают реальную часть постоянной распространения, 2, 4, 6 - мнимую. Межэлектродное расстояние - 4 см.

Рис. 2. Структуры, которые иногда образуются в СВЧ разряде в волноводе при интерференции волны H₁₀ и поверхностной волны. P = 0.1 Тор, Мощность СВЧ волны, поддерживающей плазму: а - 140 Вт, б - 9 Вт, в - 17 Вт, г - 9 Вт, д - 6.5 Вт, е - 5.5 Вт.

Современные проблемы физики газового разряда

Список основных публикаций