ГЛАВА 2
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для изучения характеристик тлеющего разряда постоянного тока низкого давления использовался экспериментальный комплекс, блок-схема которого показана на рис.2.1. Схема данного экспериментального комплекса аналогична схеме установки для проведения технологического процесса "сухого" травления полупроводниковых материалов, находящего в последнее время широкое применение в производстве полупроводниковых микросхем.
Вакуумная камера 1 представляет собой отрезок цилиндрической трубы из кварцевого стекла диаметром 100 мм, вакуумно уплотненный с торцов плоскими круглыми электродами, изготовленными из нержавеющей стали (также применялся катод из дюралюминия). Внешний диаметр электродов равен 160 мм, т.е. заметно превышает внутренний диаметр разрядной трубки. Такая конструкция разрядной камеры позволяет создавать максимально однородное электрическое поле в вакуумном объеме (при отсутствии разряда), что способствует уменьшению влияния краевых эффектов при пробое газа и измерении кривых зажигания тлеющего разряда постоянного тока. Использование набора отрезков кварцевой трубки различной длины позволяло дискретно изменять расстояние между катодом и анодом в диапазоне L = 1.1 - 5.4 см. Вакуумная камера имеет оригинальную систему напуска газа и откачки продуктов реакции. Газ поступает в камеру через верхний электрод ("душевая" система), откачка производится через отверстия в том же электроде. Такая сложная конструкция верхнего электрода необходима, чтобы создать максимально однородные условия по площади камеры как при пробое газового промежутка и измерении кривых зажигания, так и во время существования установившегося тлеющего разряда.
Для более детального исследования зависимости кривых зажигания тлеющего разряда от отношения расстояния между электродами L к их поперечным размерам R использовалась вакуумная камера, позволяющая охватить более широкий диапазон значений L/R. В трубке из кварцевого стекла с внутренним диаметром 63 мм, размещались плоские параллельные электроды, которые занимали все поперечное сечение камеры. При этом один из электродов, выполненный из нержавеющей стали, являлся неподвижным, а второй мог перемещаться внутри кварцевой трубки. Расстояние между электродами могло изменяться в диапазоне L = 0 - 10 см. Чтобы уменьшить неоднородности, связанные с перепадом давления по длине камеры, напуск и откачка осуществлялись с противоположных торцов камеры. Конструкция камеры позволяла проводить исследования с катодами из различных материалов.
Исследования проводились в воздухе, аргоне, азоте и кислороде в диапазоне давлений p = 10-2 - 10 Торр. Камера откачивалась турбо-молекулярным насосом 3 (рис.2.1) до предельного вакуума (5?10-4 Торр). Рабочий газ напускался при помощи системы напуска СНА-1 (4), давление газа контролировалось вакуумным теплоэлектрическим реле РВТ-2М (5). Чтобы повысить точность измерения давления, теплоэлектрическое реле калибровалось в индивидуальном порядке. Погрешность измерения давления составляла 10 ? 15 %. Давление газа в камере устанавливалось путем изменения сечения вакуумпровода регулируемым вакуумным клапаном, что обеспечивало постоянство скорости протока газа в камере при различных давлениях. Постоянный газопоток нужен, чтобы уменьшить влияние на параметры пробоя метастабильных атомов или молекул.
При исследовании тлеющего разряда постоянного тока на катод подавалось постоянное напряжение Udc ? 1000 В от блока питания БП-67 (6) (рис.2.1). В разрядную цепь между катодом и источником постоянного напряжения последовательно подключался резистор сопротивлением 1.5 кОм. Эксперименты проводились в диапазоне разрядных токов Idc ? 100 мА.
Измерение кривых зажигания тлеющего разряда проводилось в разрядных трубках с внутренними диаметрами 9 мм, 14 мм, 27 мм, 63 мм и 100 мм. Кривые зажигания были измерены для катодов, выполненных из нержавеющей стали, дюралюминия, серебра, магния, меди, цинка и стали, а также для стального катода, покрытого сажей. Анод был изготовлен из нержавеющей стали. Перед выполнением измерений проводили очистку поверхности катода, зажигая тлеющий разряд в аргоне при давлении p = 0.5 Торр и разрядном токе Idc = 20 ? 50 мА (в зависимости от диаметра разрядной трубки) в течение 10 мин. При этих условиях поток ионов на катод достаточно велик для удаления монослоев газов, оставшихся на поверхности катода после проведения механической шлифовки и полировки, но разрядный ток еще недостаточен для появления катодных пятен, приводящих к эрозии поверхности катода. Какие-либо внешние источники ионизации не использовались, исследовалось исключительно зажигание самостоятельного тлеющего разряда постоянного тока.
Измерения кривых зажигания проводилось следующим способом. Сначала устанавливали расстояние между электродами L, затем при различных давлениях газа p измеряли напряжение пробоя Udc. В третьей главе будет показано, почему именно такой способ измерения кривых зажигания тлеющего разряда является правильным. Точность измерения напряжения пробоя была ? 2 %. Скорость нарастания напряжения при определении потенциала зажигания разряда не превышала 1 В/с.
Для определения падения напряжения на катодном слое на видимой границе слоя параллельно поверхности катода располагался одиночный цилиндрический зонд и измерялся потенциал плазмы ?pl относительно анода. Тогда катодное падение потенциала Uc равно разности напряжения на электродах Udc и потенциала плазмы, т.е. Uc = Udc - ?pl .
Параметры плазмы (температура электронов Te, плотность плазмы ni и потенциал плазмы ?pl) измерялись с помощью одиночного цилиндрического зонда 9 (рис.2.1), изготовленного из нихрома, диаметром 0.18 мм и длиной 5 мм. В исследованном диапазоне давлений могут наблюдаться все три режима работы зонда (бесстолкновительный, переходный и столкновительный), т.е. при разных давлениях газа ионы могут проходить призондовый слой без столкновений (p ? 0.05 Торр), столкнувшись с молекулами
- Київ+380960830922