ИСТИНА

В современной плазменной микроэлектронной технологии с уменьшением топологических размеров создаваемых структур (до 10 нм и ниже) классические ион-стимулированные процессы становятся менее актуальными. Требуется фактически бездефектное (в физическом понимании) взаимодействие плазмы с поверхностью, буквально на атомарном уровне. Для этих целей необходимы плазменные реакторы, позволяющие прецизионно и независимо контролировать энергию и состав ионов, а также поток и состав нейтральных радикалов и излучения на поверхности обрабатываемого материала. Причем для многих процессов энергия ионов должна быть очень низкой, порядка нескольких электронвольт, что не достижимо в стационарных самостоятельных разрядах. В проекте предполагается экспериментальное и теоретическое исследование структуры и свойств новой плазменной системы – одно- и двухчастотной высокочастотной плазмы низкого давления с внешним источником ионизации широкоапертурным электронным пучком, направленным вдоль электродной системы, так называемые, одно- и двухчастотные высокочастотные несамостоятельные разряды (ВЧНР). Создаваемая пучком электронов плазма ВЧНР характеризуется температурой электронов менее 1 эВ и низкой энергией ионов, ускоряемых в плазменном слое. За счет варьирования тока электронного пучка, а также приложения высокочастотного напряжения на электроды в газоразрядной камере возможен независимый контроль основных параметров плазмохимического реактора: плотности плазмы, температуры электронов и энергетического спектра ионов, приходящих на электрод. Независимый контроль плазменных параметров позволяет проводить исследования, направленные на вариацию объемных процессов в плазме, а также исследовать пороги и скорости элементарных реакций при взаимодействии ионов и активных радикалов с поверхностью. Результатом этих исследований будут экспериментальные и теоретические данные по определению плотности плазмы в зависимости от параметров электронного пучка, определение спектра электронов, выявление влияния высокой частоты на температуру электронов. Будут измерены и смоделированы энергетические спектры ионов в зависимости от напряжения на низкой частоте. В таком подходе комплексное экспериментально-теоретическое изучение свойств одно- и двухчастотной ВЧНР плазмы ставится впервые.

In the modern plasma microelectronics technology with decreasing the structure dimensions to 10 nm and lower there is a need for the replacement of classical reactive ion processes. A non-harmful (physically) atomic layer precision plasma surface interaction is required. This can be done with plasma systems having precise and independent control of ion flux and energy as well as neutral radical and photon fluxes at the surface of the treated material. Moreover, for many of these processes ion energy has to be very low (several electronvolts), that cannot be achieved in stationary self-sustained gas discharges. This project is aimed at experimental and theoretical investigation of a new plasma system: low pressure single and dual frequency rf plasma with the external ionization source (wide-aperture electron beam) aligned parallel to the electrode system – so called rf non-self-sustained discharges (RFND). RFND plasma created with an electron beam has low electron temperature (less than 1 eV) and low energy of ions accelerated in the plasma sheath. By changing the electron beam current and applying radio frequency voltage to the electrodes main plasma reactor parameters in discharge volume (plasma density, electron temperature and ion energy at the electrode) can be controlled independently. This independent control of plasma parameters gives possibility to vary plasma volume processes and perform their fundamental studies as well as the investigation of ion induced surface reactions rates and thresholds. The main results of this project will be the experimental and modeling data on plasma density dependence on the electron beam parameters, electron energy spectra measurements and the dependence of the electron temperature on high frequency rf voltage. Also ion spectra at different low frequency voltages will be measured and simulated. Such complex experimental and theoretical study of single and dual frequency RFND plasma will be done for the first time.

В результате выполнения данного проекта планируется создать двухчастотный ВЧ реактор с управляемым источником электронного пучка. С помощью электронного пучка будет возможно контролировать плотность плазмы. Кроме того, варьирование температуры электронов путем приложения к электроду напряжения на высокой частоте позволит варьировать соотношение потоков радикалов и ионов на поверхность электрода. При этом возможность приложения напряжения на низкой частоте позволит независимо контролировать энергию ионов. Тем самым, в данном реакторе можно будет осуществлять практически независимый контроль потоков радикалов, спектров и потоков ионов в широком диапазоне. Кроме того ожидается, что в данном реакторе можно будет получить низкую температуру электронов, что приведет к низкой энергии ионов, приходящих на подложку. Такая низкая энергия ионов необходима для обработки материалов на атомно-слоевом уровне, что является одной из важнейших задач микроэлектротехнологии на данный момент. Предполагается, что в ходе выполнения проекта в данном реакторе будут получены экспериментальные данные по плотности плазмы, температуре электронов, потокам ионов на электрод и функции распределения ионов по энергиям как в химически инертных благородных газах, так и в молекулярном газе (водород). Впервые будут разработаны модели ВЧНР разряда, позволяющие определить энергетические спектры электронов и ионов. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными позволит выявить дополнительные возможности ВЧНР плазмы. Хотя данный проект предполагает фундаментальное исследование, его результаты будут способствовать дальнейшему развитию новых прецизионных плазменных систем в микротехнологии, задачах травления, очистки, функционализации и легирования новых материалов.

У научного коллектива имеется большой задел по экспериментальному и теоретическому исследованию высокочастотных разрядов, диагностике плазмы и изучению взаимодействия плазмы с поверхностью. На базе двухчастотных исследовательских вч установок индукционного и емкостного разряда был сделан целый ряд работ. Разработаны и проведены исследования широкоапертурных источников убегающих электронов на основе открытого разряда. В течение последних лет были проведены приоритетные исследования новых способов плазменного возбуждения газовых сред, в том числе с использованием стационарных самостоятельных двухчастотных емкостных разрядов. Проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования двухчастотных вч разрядов в химически активных газовых смесях, используемых в технологии с диагностикой плотностей и энергетических спектров заряженных частиц, ионного состава плазмы, плотностей нейтральных радикалов и спектров и потоков вакуумного ультрафиолетового излучения в объеме плазмы. Впервые выявлено влияние динамических эффектов на низкой частоте на ангармонизм тока в симметричном разряде, структуру приэлектродного слоя и нагрев электронов. Также коллектив активно занимается детальным исследованием различных методов диагностики плазмы, таких как зонд Ленгмюра, hairpin-зонд, измерение ионного тока методом модуляции автосмещения, анализатор энергий ионов, актинометрия, масс-спектрометрия с варьированием энергии электронного пучка, спектроскопия поглощения. Для моделирования процессов в стационарных разрядах низкого давления в неоднородных электрических полях разработаны модели, позволяющие описывать как кинетику электронов с учетом нелокальности их энергетического спектра, так и структуру энергетического спектра ионов в двухчастотном разряде. C помощью данных моделей впервые удалось провести детальное исследование структуры и сложной кинетики ДЧ разрядов, потоков заряженных и нейтральных частиц в плазме сложного состава.