Современные проблемы физики газового разряда
Руководитель - Двинин Сергей Александрович
к. П-79, тел. 8(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.
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.
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:
- бесконтактный метод диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы;
- спектроскопический метод измерения плотности эмиттированных с по-верхности электродов электронов;
- ВАХ – метод диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы;
- 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. 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..026. Кривые 1, 3, 5 показывают реальную часть постоянной распространения, 2, 4, 6 – мнимую. Межэлектродное расстояние – 4 см.
| Двинин Сергей Александрович | д.ф.-м.н., доцент |
| Журавлев Алексей Александрович | бакалавр |
| Павлов Александр Игоревич | бакалавр |
| Шестакова Ангелина Алексеевна | бакалавр |