Физико-химические процессы в емкостных высокочастотных и барьерном разрядах и их электрические и оптические характеристики

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1
ЕМКОСТНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И БАРЬЕРНЫЙ РАЗРЯДЫ. ПРИМЕНЕНИЕ И ПРОБЛЕМЫ 24
1.1. ВЧЕ разряды 24
1.1.1. ВЧЕ разряд 24
1.1.2. ВЧЕ разряды в магнитном поле 27
1.2.1 Ілазмснное травление и осаждение тонких пленок 31
1.2.1. Источники плазмы, используемые для изготовления полупроводниковых структур. 31
1.2.2. Анизотропное плазменное травление 33
1.2.3. Плазменное осаждение аморфных гидрогенизированных углеродных пленок в метане и мстансодержащих смесях 35
1.3. Барьерные разряды 41
1.3.1. Структура и характеристики барьерных разрядов 41
1.3.2. Численное моделирование барьерных разрядов 45
1.4. Эксимерные лампы 47
1.4.1. Принципы работы и устройство эксилами БР 47
1.4.2. Экспериментальные исследования и моделирование характеристик эксиламп БР 49
1.5. Плазменные дисплейные панели 52
1.5.1. Введение 52
1.5.2. Устройство и принцип работы ПДП переменного тока 54
1.5.3. Моделирование ИДП 56
Выводы к главе 1 59
ГЛАВА 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА 62
з
2.1. ВЧЕ реактор традиционного тина 62
2. 2. ВЧЕ реактор с магнитным полем 63
2. 3. Измерения электрических характеристик и температуры газа 64
2.4. Регистрация спектров и измерение интенсивностей 65
2.4.1. Спектральная регистрирующая система на базе дифракционного спектрографа ДФС-8 65
2.4.2. Спектральная автоматизированная регистрирующая система
на базе монохроматора МДР-23 66
2.4.3. Пространственные измерения интенсивности излучения 68
2.5. Зондовые измерения 68
Выводы к главе 2 72
ГЛАВА 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЧЕ РАЗРЯДА В АРГОНЕ 74
3.1. Функция распределения электронов в ВЧЕ разряде в аргоне 74
3.1.1. Кинетическое уравнение для электронов в ВЧЕ разряде 74
3.1.2. ФРЭЭ и параметры электронов в ВЧЕ разряде в аргоне 79
3.1.3. Распределение интенсивности излучения спектральных
линий в межэлектродном промежутке ВЧЕ разряда 82
3.2. Характеристики высокочастотного емкостного разряда
в магнитном поле в аргоне 84
3.2.1. Электрические характеристики 84
3.2.2. Концентрация заряженных частиц и температура электронов 86
3.2.3. Оптические характеристики 89
3.2.4. Анализ влияния дрейфа электронов в магнитном иоле
на характеристики разряда 94
3.3. Исследование влияния маг нитного поля на характеристики ВЧЕ
разряда в рамках гидродинамической модели 97
3.3.1. Одномерная гидродинамическая модель ВЧЕ разряда 97
4
3.3.2 Влияние магнитного ноля на характеристики ВЧЕ разряда в Лг 99 Выводы к главе 3 102
ГЛАВА 4
ВЧЕ РАЗРЯД В ТРИФТОРБРОММЕТАНЕ 105
4. 1. Экспериментальные исследования характеристик плазмы
ВЧЕ разряда в трифторбромметане 105
4.1.1. Абсолютные концентрации атомов брома и фтора 105
4.1.2. Температура газа 113
4.2. Кинетическая модель плазмохимических реакций в СР3Вг плазме 116
4.2.1. Кинетическая модель 117
4.2.2. Компонентный состав СБзВг плазмы ВЧЕ разряда 118
Выводы к главе 4 122
ГЛАВА 5
ВЧЕ РАЗРЯД В МАГІ1ИТНОМ ПОЛЕ В МЕТАНЕ И СМЕСИ
МЕТА11А С АРГОНОМ 124
5.1. Электрические и оптические характеристики ВЧЕ разряда в магнитном
поле в метане 124
5.1.1. Электрические характеристики 124
5.1.2. Температура газа 127
5.1.3.Спектр и пространственное распределение излучения 129
5.2. Концентрация атомарного водорода в ВЧЕ разряде в магнитном
моле в метане и смеси метана с аргоном 131
5.2.1 Методика измерения концентрации атомов водорода
методом оптической актинометрии. 132
5.2.2 Концентрация атомарного водорода в ВЧЕ разряде в метане 139
5.2.3. Концентрация атомарного водорода в ВЧЕ разряде в
смесях Аг-СН4 142
5.3. Заселенности энергетических уровней атомов водорода 147
5.4. Парамегры молекулярного водорода 152
5
5.4.1. Концентрация молекул водорода 154
5.4.2. Распределение молекул водорода но колебательным уровням 156
5.4.3. Вращательная температура молекул водорода 161
5.5. Колебательная и вращательная температуры радикалов СН* 167
Выводы к главе 5 170
ГЛАВА 6
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В КСЕИОНОВЫХ ОКСИЛАМИАХ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА 173
6.1. Моделирование барьерного разряда в рамках гидродинамической модели 173
6.1.1. Кинетика электронов в барьерном разряде в ксеноне 174
6.1.2. Гидродинамическая модель барьерного разряда:
приближение локальной энергии электронов (LEA модель) 177
6.1.3. Гидродинамическая модель барьерного разряда:
приближение локального электрического поля (LFA модель) 182
6.1.4. Тестирование программы 183
6.1.5. Характеристики БР в ксеноне, рассчитанные в рамках
LFA и LEA приближений 186
6.2. Влияние плазмохимических процессов в ксеноне на
характеристики барьерного разряда 191
6.2.1. Кинетическая схема плазмохимических процессов в ксеноне 191
6.2.2. Развитие импульсов тока в барьерном разряде в ксеноне, влияние плазмохимических процессов 193
6.3. Влияние внешних параметров на характеристики барьерного
разряда в ксеноне 205
6.3.1. Влияния частоты изменения напряжения 206
6.3.2. Влияние амплитуды напряжения 210
6.3.3. Влияние емкости диэлектриков 214
6.3.4. Влияние длины разрядного промежутка 216
6
6.4. Моделирование ксеноновой лампы трехступенчатого профиля 217
6.5. Оптимизация ксеноновых эксиламп 220
Выводы к главе 6 222
ГЛАВА 7
МОДЕЛИРОВАНИЕ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА В ЯЧЕЙКЕ ПЛАЗМЕННЫХ ДИСПЛЕЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ 225
7.1. Кинетика электронов в смесях Хе-Ые 225
7.1.1. Расчет параметров электронов 225
7.1.2. Влияние электрического поля и концентрации ксенона на кинетику электронов в смеси Хс-Ыс 228
7.2. Моделирование характеристик барьерного разряда в смеси
0.05 Хе/0.95 Ые 237
7.2.1. Одномерная гидродинамическая модель БР в смеси Хе-Ые 237
7.2.2. Характеристики барьерного разряда в смеси 0.05 Хе/0.95 Ые 238
7.3. Численный анализ подобия БР в смеси 0.95Ые/0.05Хе 244
7.3.1. Подобные электрические разряды. Разрешенные и запрещенные процессы 245
7.3.2. Анализ подобия электрических характеристик БР в смеси Хе-Ые 246
7.3.3. Законы преобразования для концентраций заряженных и
ней гральных компонент Хе-Ые плазмы БР 249
7.3.4. Законы преобразования для эффективности излучения 255
Выводы к главе 7 257
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 260
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 264
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 268
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 271
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 275
ЛИТЕРАТУРА 278
7
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. Работа посвящена исследованию емкостных высокочастотных и барьерного разрядов. Особое внимание в работе уделено систематическому параметрическому исследованию характеристик разрядов, изучению параметров частиц и физико-химических процессов в плазме, влиянию этих процессов на характеристики разрядов. Для изучения ВЧЕ разрядов в основном используются экспериментальные методы исследования; особое внимание уделяется обоснованию применения спектральных методов. Барьерные разряды исследуются численными методами; большое внимание уделяется разработке моделей барьерных разрядов.
Актуальность темы. Неравновесные газовые разряды в последние десятилетия привлекают огромный интерес исследователей, что связано с широким кругом их индустриальных приложений.
Емкостные ВЧ разряды работающие на частоте 13.56 МГц были первыми, используемыми в технологиях плазменной обработки (плазменного травления) [1-5]. Однако их неспособность создавать плазму высокой плотности при низких давлениях газа и разделять функции генерации плазмы и ускорения ионов ограничили их применение и привели в начале 90-х годов к появлению источников с индуктивной ВЧ плазмой.
Плазменные реакторы, основанные на индуктивных ВЧ разрядах могут обеспечивать высокие плотности плазмы при низких давлениях газа и независимо контролировать плотность (ионного потока) и энергию ионов [6-8]. Применение индуктивных ВЧ разрядов в коммерческих реакторах для плазменной обработки показало их существенные ограничения. Сюда можно отнести неспособность работать в индуктивной моде с низкой плотностью плазмы (и«10мсм'3) и малой длиной разрядного промежутка, значительные радиапьные и азимутальные неоднородности [9].
Другим направлением, развиваемым в начале 90-х годов, было использование магнитного гголя для улучшения характеристик реактивного
8
ионного травления (РИТ). РИГ часто приводит к нежелательным радиационным повреждениям и/или загрязнениям поверхности, которые должны впоследствии удаляться. ВЧЕ разряды в магнитном поле позволяют получить более высокие скорости травления и малые энергии бомбардировки ионов, что приводит к снижению количества повреждений и уменьшает потребность в их отжиге. Использование магнитного поля в разрядах в смесях газов может приводить к пространственному разделению компонент смеси [10]. К началу данных исследований лишь небольшое число работ было посвящено изучению фундаментальных свойств ВЧЕ разрядов в маг нитном поле [11-15].
Основным преимуществом реактивного ионного травления, является потенциальная возможность прецизионного анизотропного травления материала в направлении, перпендикулярном его поверхности. Широко применяемое в промышленности в начазе 90-х годов травление в фторсодержащей плазме СР4 или СР4 -02 (81Е4, 8Е6, №3, С1Е3 и др.) при
отсутствии каких-либо кристаллографических эффектов происходит изотропно с одинаковой скоростью по всем направлениям [1, 2]. Анизотропное травление стимулируют бомбардировкой положительными ионами [16]. Однако при больших конценграциях атомарного фтора Е (10|4-И0ь см'3) в плазме ионное ускорение процесса травления не исключает спонтанного травления под маску и не обеспечивает необходимой в задачах субмикронной технологии микроэлектроники анизотропии травления. В связи с этим было предложено использовать в качестве травителей менее химически активные галогены. Так в работах [17-19| была продемонстрирована возможность анизотропного травления кремния (81) в плазме трифторбромметана (СЕ3Вг). Однако к началу работ, представленных в данной диссертации, внутренние параметры СЕ3Вг плазмы, химические реакции и частицы, ответственные за процесс травления кремния в СЕ3Вг плазме не были изучены.
Наряду с травлением полупроводниковых структур ВЧЕ разряды используют для осаждения тонких аморфных гидрогенизированных углеродных пленок, часто называемых алмазоподобными. Они обладают
9
уникальными свойствами такими как высокие твердость, электрическая прочность, химическая стойкость, прозрачность в видимой области спектра, и используются в качестве диэлектрических и защитных слоев [20, 21], в том числе в микроэлектронике. 1 !ри плазменном осаждении гидрогенизированных углеродных пленок часто используются смеси метана с водородом и инертными газами. Несмотря на активные исследования метансодержащей плазмы [22-24], параметры химически активных частиц, физико-химические процессы протекающие в плазме и на поверхности к началу работы над диссертацией оставались слабо изученными. Разработка методов контроля и изучение параметров метансодержащей плазмы представляют практический интерес для понимания механизмов формирования алмазоподобных пленок и оптимизации условий их осаждения.
Прогресс в разработке источников плазмы для изготовления полупроводниковых структур требует знания параметров плазмы этих источников. Экспериментальное исследование параметров и физикохимических процессов в химически активной плазме представляет собой чрезвычайно трудную задачу. Методы контактной диагностики неравновесной плазмы разработаны авторами [25-27]. Методы мониторинга параметров плазмы в реакторах для плазменного травления активно развивались в последнем десятилетии [28-32].
Барьерные разряды обеспечивают эффективные технологии для получения неравновесной плазмы в газах атмосферного давления. Свойства БР привели к большому количеству индустриальных приложений барьерных разрядов, таких как генерация озона, модификация поверхностей, осаждение покрытий, контроль загрязнений, стерилизация и дезинфекция, СОг-лазеры, эксилампы и плазменные дисплейные панели (ПДГ1) [33-35].
Эксимерные лампы (эксилампы) - относительно недавно появившийся класс источников спонтанного УФ- и ВУФ- излучения, в которых используется неравновесное излучение эксимерных или эксиплексных молекул [36-39]. В отличие от люминесцентных и тепловых источников УФ и ВУФ излучения, до
10
80% общей мощности излучения эксилампы может быть сосредоточено в узкой (не более 10 нм на полувысоге) полосе соответствующей молекулы. При этом удельные мощности излучения превышают величины, характерные для ламп низкого давления на резонансных переходах атомов. К числу наиболее изученных и востребованных относятся эксилампы на переходах димера ксенона Хс2(А.= 172 нм).
К началу исследования барьерных разрядов в рамках диссертационной работы как отечественными, так и зарубежными группами был проведен цикл работ по созданию, исследованию и применению эксиламп [40-421. Однако многообразие возможных условий возбуждения эксиламп, влияние на их выходные характеристики многих, часто взаимозависимых, факторов существенно осложняют создание эксиламп с необходимыми для практических применений выходными параметрами [43]. Дальнейшее совершенствование эксиламп актуально в связи с возрастающими потребностями науки и техники в мощных и недорогих источниках УФ и ВУФ излучения.
Плазменные дисплейные панели (ПДП) представляют собой матрицы субмиллиметровых флуоресцентных ламп, сложным образом контролируемых электронными драйверами [44-45]. Каждый элемент изображения (пиксель) ПДП состоит из трех элементарных разрядных ячеек, излучающих ультрафиолетовое излучение (УФ). Ультрафиолетовое излучение с помощью люминофоров преобразуется в видимый свет трех цветов. Плазма в каждой ячейке ПДП переменного тока генерируется барьерным разрядом (БР), горящем в тлеющем режиме в смеси инертных газов. Типичное давление составляет 500 Тор в газоразрядном зазоре 100 мкм. В качестве переменного напряжения используется прямоугольный сигнал частотой порядка 100 кГц и временем нарастания 200-300 не. Во включенном состоянии через разрядную ячейку каждые нолпериода проходит импульс тока длительностью менее 100 не.
Несмотря на ряд прекрасных характеристик, излучательная эффективность ПДП переменного тока остается низкой по сравнению с электронно-лучевыми трубками (ниже -в 3 раза) и требует улучшения [44].
11
Существенной частью улучшения технологии ПДП является понимание основных физических процессов динамики плазмы, распределения энергии электронов и взаимодействия плазмы с поверхностью. Малые размеры ПДП ячеек и короткие времена горения разряда делают экспериментальную диагностику очень сложной.
Несмотря на сложность экспериментальных исследований, в последние годы была проведена оптическая диагностика плазмы в ПДП ячейках. Наряду с этими исследованиями в работах [46, 47] сообщалось об измерениях свойств макроскопических ячеек ПДП ('макроячеек’). Макроячейки представляют собой разрядные ячейки, геометрия которых похожа на геометрию реальных ячеек ПДП, однако их размеры на 1-2 порядка больше. Макроячейки являются очень полезным инструментом для изучения разрядов в ячейках ПДП, поскольку диагностика разряда в макроячейке существенно проще, чем разряда в реальных ячейках, и в связи с тем, что конструкция электродов и геометрия могут легко быть изменены. Предполагается, что при масштабировании ячеек выполняется подобие разрядов и физика БР в макроячейках ПДП остается такой же, как и в реальных ячейках. Однако исследования выполнения законов подобия в БР к началу данной работы проведено не было.
Сложившиеся на основе экспериментальных данных представления о структуре, свойствах и динамике возникновения и погасания разряда между диэлектрическими барьерами могут быть значительно расширены и уточнены с помощью метода численного моделирования. Численное моделирование характеристик является перспективным методом оптимизации параметров эксиламп и ячеек ПДП, позволяя определить условия достижения максимальной излучателыюй эффективности при требуемой величине мощности излучения в заданном интервале длин волн. К началу данного исследования был разработан ряд гидродинамических моделей БР в ксеноне (эксилампы) [48-51] и в смесях инертных г-азов (ячейки ПДП) [52-55], а также аналитические [56], электротехнические [57] и киггетические модели [58, 59].
12
ГД модели барьерного разряда основаны на уравнениях газовой динамики (уравнениях непрерывности в диффузионно-дрейфовом приближении) для электронов, ионов и возбужденных атомов (молекул), связанных с уравнением Пуассона для электрического поля. Была продемонсгрирована способность ГД моделей успешно моделировать фундаментальные процессы, имеющие место в эксилампах и ПДП ячейках, исходя из основополагающих принципов газовой электроники. В то же время систематические параметрические исследования излучательных характеристик ксеноновых эксиламп на момент начала данной работы отсутствовали.
Таким образом, фундаментальной проблемой при улучшении характеристик процессов и приборов, использующих ВЧЕ и барьерные разряды, является недостаток информации о протекающих в них физко-химических процессах и их влиянии на характеристики разрядов. В связи с этим, исследование физико-химических процессов в емкостных высокочастотных и барьерных разрядах является своевременным и актуальным как для улучшения существующих, так и для разработки принципиально новых технологий и приборов, основанных на их использовании.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью работы было экспериментальное и теоретическое исследование физико-химических процессов в неравновесной плазме емкостных высокочастотных и барьерного разрядов и их электрических и оптических характеристик.
Достижение цели работы предполагало решение следующих задач:
- Создание диаг ностического комплекса для исследования электрических и оптических характеристик плазмы ВЧЕ разрядов.
- Обоснование спектразьных методов диагностики галоген- и метансодержащей плазмы.
13
- Экспериментальное исследование электрических и оптических характеристик и внутренних параметров традиционного и активированного магнитным полем ВЧЕ разрядов в аргоне, трифторбромметане и метане.
- Моделирование плазмохимических процессов и расчет состава плазмы ВЧЕ разряда в СР3Вг.
- Разработку одномерных гидродинамических моделей БР в ксеноне и смесях ксенона с неоном.
- Численное исследование влияния физико-химических процессов в БР в ксеноне и смесях ксенона с неоном на электрические и оптические характеристики разряда.
- Масштабирование барьерных разрядов.
Методы исследований
При исследовании ВЧЕ разрядов использовались экспериментальные и численные методы, исследование барьерных разрядов проводилось расчетным путем. Для экспериментального измерения параметров плазмы использовались электротехнический, термопарный, зондовый и спектральные методы. Зондовые измерения осуществлялись с помощью двойного Ленгмюровского зонда с использованием стандартных схемы и методики обработки ВАХ зонда. Применение спектральных методов основывалось на использовании относительных интенсивностей спектральных линий и молекулярных полос, измеряемых с помощью современного спектрального оборудования. Использование конкретных спектральных методик измерения параметров плазмы обосновываюсь с помощью кинетического анализа. Для численного исследования параметров плазмы использовались нольмерные кинетические и одномерные гидродинамические модели. Для моделирования параметров электронной компоненты плазмы решалось кинетическое уравнение Больцмана в двучленном приближении.
14
Структура и объем диссертации
Объем диссертации составляет 320 страниц, в ней представлены 113 рисунков и 22 таблицы, имеется 474 ссылки на литературные источники. Диссертация состоит из настоящего введения, 7 глав, заключения, 4-х приложений и списка литературы. Объем основного текста составляет 263 страницы.
Во Введении обосновывается актуальность исследования электрических и оптических характеристик высокочастотных емкостных (ВЧЕ) и барьерного разрядов, формирования представлений о протекающих в них физикохимических процессах и их связи с характеристиками разрядов. Сформулированы цель, научная новизна, практическая значимость, приводятся защищаемые положения.
Первая глава содержит литературный анализ состояния исследований высокочастотных емкостных и барьерных разрядов. Даны общие сведения о высокочастотных емкостных (ВЧЕ) и барьерном разрядах, их особенностях, характеристиках, методах моделирования. Рассмотрены основные области, проблемы и перспективы их применения. Но результатам обзора сделаны выводы об актуальности проводимых исследований, обоснованы цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе описана экспериментальная техника, используемая для исследования параметров ВЧЕ разрядов. Описаны ВЧЕ реакторы диодного и магнетронного типа, оптические регистрирующие системы на базе спектрографа ДФС-8 и монохроматора МДР-23, методы измерения электрических параметров и температуры газа, схема регистрации вольт-амперных характеристик двойного зонда и методика их обработки.
Во третьей главе изучаются электрические и оптические характеристики ВЧЕ разряда в магнитном поле в аргоне и анализируется влияние дрейфа электронов в магнитном поле на характеристики разряда. Разработана программа для расчета нестационарной функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в ВЧЕ разряде в аргоне. Рассчитаны ФРЭЭ и аксиальные
15
распределения температуры и концентрации электронов в ВЧН разряде в различные моменты времени. Рассчитано усредненное за период аксиальное распределение интенсивности излучения спектральных линий аргона в ВЧЕ разряде. Представлены результаты комплексного исследования характеристик ВЧЕ разряда магнетронного типа в асимметричном реакторе в аргоне: электротехническими методами измерены ВЧ ток, ВЧ напряжение и постоянное напряжение самосмещения; зондовыми методами измерены концентрация заряженных частиц и температура электронов; оптическими методами изучены интенсивность излучения и толщина приэлектродного слоя. Влияние магнитного ноля на характеристики ВЧЕ разряда в диапазоне давлений от 650 до 10 Па дополнительно исследовано в рамках одномерной гидродинамической модели.
В четвертой главе описываются результаты экспериментального и численного исследования оптических характеристик и внутренних параметров плазмы традиционного ВЧЕ разряда в трифторброммегане - СР3Вг (хладон 13В!). Эксперименты выполнены в ассиметричном высокочастотном реакторе емкостного типа диодной конфигурации. Методом оптической актинометрии измерены абсолютные концентрации атомарных радикалов Вг и Е. Двумя методами (спектральным и термопарным) изучено пространственное распределение температуры газа. В результате численного решения дифференциального уравнения баланса энергии для экспериментально измеренного поля температур восстановлен двумерный профиль источников тепла.
Разработана кинетическая модель газофазных реакций в СТ3Вг плазме. Рассчитаны концентрации компонент плазмы для условий (давление газа, температура электронов) типичных для ВЧЕ разряда в СЯ^Вг. Объясняется механизм анизотропного травления кремния в ВЧЕ разряде в трифторбромметане.
В пятой главе описываются результаты экспериментальных измерений электрических и оптических характеристик ВЧЕ разряда в магнитном поле в
16
метане и смеси метана с аргоном, спектральных исследований внутренних параметров метансодержащей плазмы и анализа механизмов образования атомарного водорода и формирования распределений атомов и молекул водорода и радикалов СИ* по энергетическим уровням.
Изучены электрические характеристики, температура газа, спектр излучения. Проанализированы механизмы образования возбужденных атомов водорода Н (п=3) и аргона Аг (4р3Р]). Получены выражения для определения концентрации атомов водорода по отношению интенсивностей спектральных линий водорода На и аргона в случае прямого, ступенчатого и диссоциативного возбуждения излучающих состояний. Методом оптической актинометрии измерены абсолютные концентрации атомарного водорода в разряде в метане и смеси метана с аргоном. Установлено, что концентрация атомов водорода в смеси СН4( 1 -10%)+Аг на порядок выше их концентрации в чистом метане при одинаковых параметрах разряда. Показано, что в механизмы образования атомов Н в метане и смеси СН4( 1 -10%)+Аг разные: в метане в диапазоне давлений 1-И0 Па атомарный водород образуется в результате диссоциации метана и радикалов СНХ при столкновениях с электронами, в смеси СН4(1-10%)+Аг - в процессе диссоциации молекул метана при столкновениях с метастабильными атомами аргона: Агт +сн4 -> С7/3 + // + Аг.
Обнаружено неравновесное распределение атомов водорода по энергетическим уровням. Определено отношение концентраций атомарного и молекулярного водорода. Изучено распределение относительных интенсивностей колебательных полос системы Фулхера Н2(с13Пи И-а318ц"; |/=|/-0,1,2,3) по колебательным уровням. Определены значения температуры заселения колебательного уровня у=1 молекул водорода в основном состоянии Н2(Х|£). По распределению относительных интенсивностей вращательных линий (}-ветви колебательной полосы (0-0) а-системы Фулхера определена вращательная температура молекул водорода. Измерены колебательная и вращательная температуры радикалов СН*.
17
Шестая глава посвящена моделированию характеристик барьерного разряда в ксеноне. Разработана гидродинамическая (ГД) модель БР и проанализированы результаты расчета характеристик БР в ксеноне в приближениях локального электрического поля и локальной энергии электронов. Показано, что разработанная ГД модель позволяет смоделировать появление наблюдаемого на осциллограммах ксеноновых эксиламп наряду с основным импульсом тока второго (обычно более слабого) импульса. Проанализирован процесс развития волн ионизации и прохождения коротких импульсов тока в БР в ксеноне.
Представлены результаты систематического численного исследования влияния внешних параметров (частоты и амплитуды синусоидального напряжения, емкости диэлектриков, длины газоразрядного промежутка) на оптические характеристики БР в ксеноне. Смоделированы характеристики прямоугольной ксеноновой лампы трехступенчатого профиля, давление ксенона в лампе 300 тор, толщина диэлектрических барьеров 1 мм, материал -кварцевое стекло. Даны рекомендации по оптимизации параметров эксиламп.
В седьмой главе представлены результаты моделирования физикохимических процессов и оптических и электрических характеристик БР в смесях Хе-Ые с параметрами, характерными для ячеек плазменных дисплейных панелей, изучена возможность масштабирования ячеек ПДП, получены законы преобразования для эффективности преобразования электрической энергии в излучение при масштабировании ячеек.
Показано, что с увеличением электрического поля доля энергии электронов, затрачиваемой на возбуждение ксенона, уменьшается и больше энергии вкладывается в ионизацию ксенона, возбуждение и ионизацию неона; увеличения излучательной эффективности разряда следует ожидать в диапазоне концентраций ксенона в смеси до 10%.
В рамках гидродинамической модели проведен расчет характеристик БР в смеси 0.05Хе/0.95Ые. Проанализированы развитие газоразрядного процесса и
18
характеристики БР. Показано, что исключение Ые** и Ые*2 из кинетической схемы незначительно сказывается на характеристиках плазмы, позволяя уменьшить число рассматриваемых элементарных физико-химических процессов и, тем самым, уменьшить время расчета установившихся характеристик БР на 20-25%.
Численно в рамках гидродинамической модели проведены анализ подобия БР разрядов с масштабным коэффициентом (соотношением линейных размеров разрядов) равным 10 и с одинаковыми значениями комбинаций рс! и рТ в смеси инертных газов 0.95 Ые/0.05 Хс и проверка инвариантности комбинаций характеризующих БР величин. На основе уравнений баланса для равновесных концентраций получены законы преобразования для концентраций эксимерных молекул. Установлены законы преобразования для эффективности излучения различных компонент плазмы. Показано, что БР разряды с масштабным коэффициентом 10 и одинаковыми значениями комбинаций рс! и рТ в смеси инертных газов 0.95 Ые/0.05 Хе имеют близкие электрические свойства при одинаковых значениях /?г как при прохождении импульса тока, так и в послесвечении.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
В Приложениях кратко описывается метод решения системы уравнений одномерной гидродинамической модели (Приложение 2), приводятся кинетические схемы плазмохимических реакций в СН3Вг (Приложение 1), в ксеноне (Приложение 3) и в смеси Ые-Хе (Приложение 4) и константы скоростей соответствующих реакций.
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты измерений и расчетов внутренних параметров ВЧЕ разрядов в аргоне и СР3Вг. Модель плазмохимических процессов и результаты расчета состава плазмы ВЧЕ разряда в СБзВг.
2. Методы и результаты исследований концентраций атомарного и молекулярного водорода, колебательных и вращательных температур молекул Н2 и радикалов СН*; представления о механизмах формирования атомов Н,
19
молекул Н2 и радикалов СН* и их распределений по энергетическим уровням в магнстронном ВЧЕ разряде в метане и смесях метана с аргоном.
3. Закономерности влияния магнитного поля на электрические и оптические характеристики и внутренние параметры плазмы ВЧЕ разрядов.
4. Одномерная гидродинамическая модель БР в ксеноне; результаты численного исследования влияния параметров БР в ксеноне на его оптические характеристики. Анализ физико-химических процессов в БР разряде в ксеноне при формировании коротких импульсов тока.
5. Одномерная гидродинамическая модель БР в смеси Ne/Xe; результаты численного исследования параметров БР в смеси 0.95Ne/0.05Xe. Масштабирование БР, законы преобразования для концентрации эксимерных молекул и эффективности излучения при масштабировании БР в смеси Ne/Xe .
Достоверность защищаемых положений
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием метрологически поверенного оборудования, статистической обработкой экспериментальных данных, воспроизводимостью основных результатов измерений, тщательным обоснованием спектральных методов диагностики плазмы, использованием зарекомендовавших себя физических моделей и численных методов, тестированием разработанных программ, согласием экспериментальных и теоретических результатов и согласием с результатами других исследователей.
Новизна полученных результатов
1. Впервые спектральными методами измерены концентрации атомов Вг и F в ВЧЕ разряде в CF3Br с высоким пространственным разрешением. Показано, что концентрация атомов брома в десятки раз превышает концентрацию атомов фтора. Разработана кинетическая модель газофазных реакций в CF3Br плазме. Рассчитан состав CF3Br плазмы.
2. Впервые изучены характеристики ВЧЕ разряда в метане и смеси метана с аргоном в магнитном поле.
20
- Спектральными методами измерены концентрации атомов и молекул водорода, исследованы распределения молекул водорода и радикалов СН* по колебательным и вращательным уровням энергии.
- Показано, что в смеси аргона с метаном (1ч-10% СН,» + Аг) в диапазоне давлений 1ч-10 Па атомарный водород образуется в процессе диссоциации молекул метана при столкновениях с метастабильными атомами аргона:
Аг'„+СНл ->С7/3 + Я + Лг;
- Установлено, что в ВЧЕ разряде в метане реализуется неравновесное распределение атомов водорода по энергетическим уровням, к формированию которого приводит диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов
водорода II5 + е -> Н + Н*.
3. Получены новые данные о влиянии параметров БР в ксеноне и физикохимических процессов в нем на формирование импульсов тока БР.
- Показано, что гидродинамические модели БР в ксеноне в приближениях локального электрического ноля и локальной энергии электронов дают качественно близкую картину развития физических процессов.
- Показано, что в плазме БР в Хе быстрая конверсия ионов Хе2* в Хез+ и последующая диссоциативная рекомбинация приводят к быстрому распаду плазмы после прохождения импульса тока, что влечет за собой появление второго (обычно более слабого) импульса тока на полупериод напряжения.
- Обнаружено явление стратификации энергии электронов при прохождении импульсов тока в БР в ксеноне.
- Показано, что рост перенапряжения приводит к появлению вслед за однопиковым режимом горения БР двух пикового режима и затем к умножению периода напряжения.
21
4. Б результате систематических численных исследований получены новые данные о влиянии внешних параметров ЬР в ксеноне на его оптические характеристики.
5. Численно в рамках гидродинамической модели проведен анализ подобия БР в смеси 0.95Ne/0.05Xe. Впервые получены законы преобразования для эффективности БУФ излучения атомов и эксимерных молекул в БР в смесях Ne/Xe. Показано, что теоретически полученные соотношения для эффективности излучения компонент плазмы БР в смеси 0.95 Ne/0.05 Хе выполняются для излучения резонансных атомов и молекул ксенона, на излучение которых приходится большая часть излучения.
Научная ценность и практическая значимость работы
1. Разработанная кинетическая модель газофазных реакций в ВЧЕ разряде в CF3Br и результаты исследования абсолютных концентраций атомарных радикалов и расчета состава СБзВг-плазмы в дальнейшем могут использоваться при разработке гидродинамических моделей ВЧЕ разряда в CF3Br и представляют практическое значение для разработки технологий анизотропного травления кремния и его оксидов.
2. Полученные данные о концентрациях атомов и молекул водорода, распределениях молекул водорода и радикалов СП* по колебательным и вращательным уровням энергии, результаты анализа физико-химических процессов в ВЧЕ разряде в метане и смесх метана с аргоном могут использоваться при исследовании плазмохимических механизмов формирования углеродсодержаших покрытий и роста наноструктур в метансодержащей плазме и представляют практический интерес для разработки и оптимизации технологий, связанных с напылением углеродсодержащих пленок.
3. Выявленные закономерности влияния поперечного магнитного поля на характеристики ВЧЕ разряда могут быть использованы при разработке технологий травления и осаждения тонких пленок.
22
4. Созданная модель БР и полученные сведения о влиянии параметров БР в ксеноне на его характеристики позволяет оптимизировать параметры Хег-эксиламп на практике. Результаты анализа физико-химических процессов в БР в ксеноне во время прохождения импульсов тока и в фазе послесвечения представляют интерес при изучении механизмов формирования филаментов в барьерном разряде и для разработки более совершенных моделей БР в ксеноне.
5. В результате анализа в рамках одномерной ГД модели подобия барьерных разрядов в смеси 0.95Ые/0.05Хе получены законы преобразования для эффективности излучения, применимые для масштабирования БР при исследованиях и разработке ячеек плазменных дисплеев и эксиламп. Полученные законы могут использоваться для дальнейшего изучения роли разрешенных и запрещенных процессов в механизме протекания барьерных разрядов в инертных газах и их смесях.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является результатом законченного цикла фундаментально-прикладных исследований неравновесной плазмы нестационарных газовых разрядов, проводимых автором в период с 1992 по 1995 гг. в лаборатории Спектроскопии плазмы НИЦ «Жалын» при Президиуме Академии наук КР и в период с 1996 по 2009 гг. в лаборатории Оптики и спектроскопии Кафедры физики и микроэлектроники Кыргызско-Российского Славянского университета. На различных этапах работы исследования выполнялись совместно с коллегами, но при этом личный вклад автора является определяющим и состоит в выборе направления, участии в создании экспериментальных установок и диагностических комплексов, разработке программ для управления автоматизированным комплексом регистрации спектров, выборе и обосновании спектральных методов, планировании и проведении основных экспериментальных исследований; разработке и участии в разработке кинетических схем плазмохимических процессов, одномерной гидродинамической модели БР, программ для решения кинетического
23
уравнения Больцмана и расчета состава плазмы в рамках кинетической (0D) модели; проведении численных расчетов; анализе и интерпретации полученных данных; подготовке докладов и статей.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: Всероссийской (с международным участием) конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2001, Петрозаводск, Россия, 2001); IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-4, Minsk, Belarus, 2003); IV Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, Россия, 2005); III международном симпозиуме «Горение и плазмохимия» (Алматы, Казахстан, 2005); Международном семинаре «Проблемы моделирования и развития технологии получения керамики» (Бишкек, Кыргызстан, 2005); XXXIII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. (Звенигород, Россия, 2006); XVI International Conference on Gas Discharges and their Applications (GD 2006, Xi’an, China, 2006); V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-5, Minsk, Belarus, 2006); 18-th International Symposium on Plasma Chemistry' (Kyoto, Japan, 2007); IV международном симпозиуме «Горение и плазмохимия» (Алматы, Казахстан, 2007); V Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, Россия, 2008); 11-th International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry (HAKONE XI, Oleron Island, France, 2008); 9-th International Conference “Atomic and Molecular Pulsed Lasers” (Tomsk, Russia, 2009); научных и научно-практических конференциях КРСУ, Бишкек, 1998-2009 гг., и на научных семинарах кафедры физики и микроэлектроники КРСУ.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 53 научные работы, включая 18 статей в журналах из списка ВАК и 1 монографию.
24
ГЛАВА 1
ЕМКОСТНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И БАРЬЕРНЫЙ РАЗРЯДЫ.
ПРИМЕНЕНИЕ И ПРОБЛЕМЫ
1.1. ВЧЕ разряды
1.1.1. ВЧЕ разряд. ВЧЕ разряды часто используются для травления и осаждения тонких твердых слоев на подложке, закрепленной на одном из электродов. Важнейшими областями применения этих технологий являются полупроводниковая промышленность и изготовление тонкопленочных солнечных батарей и тонкопленочных транзисторов [1, 2, 60, 61]. ВЧЕ разряды особенно востребованы, когда требуется обработка (или осаждение) тонких слоев полупроводников или диэлектриков. В этих случаях разряды постоянного тока не могут быть использованы и требуются разряды переменного тока.
Частота переменного тока должна быть столь высокой, чтобы заряженные частицы, созданные в течение полупериода изменения ВЧ напряжения, не были потеряны к моменту времени, когда ток проходит через ноль. Необходимая частота напряжения обычно выше 50 кГц. Как правило, используется частота 13.56 МГц и в сильно высокочастотных разрядах1
и выше. ВЧЕ разряды обычно работают при низких давлениях 5-150 Па, нижние значения этого диапазона используют для травления, верхние значения - для осаждения. Параметры разряда приблизительно следующие: концентрация заряженных частиц 1015-
Рис. 1.1. Схематическое изображение геометрии планарного ВЧЕ разряда; подача газа и вакуумные насосы не изображены.
используются частоты до 100 МГц
1 Very high-frequency (VHF).
25
101' м"3 и температура электронов 1-4 эВ [62]. Разумеется, эти параметры зависят от рассеиваемой мощности (примерно 1-300 Вт) и используемой смеси газов. Расстояние между планарными электродами обычно составляет 1-10 см, типичный радиус электродов - 10 см. Схематическое изображение ВЧ реактора показано на рис. 1.1.
При травлении материалов подложка обычно закрепляется на меньшем по размеру нагруженном электроде, при осаждении пленок - на заземленном электроде. Этот выбор обусловлен разностью энергий положительных ионов, бомбардирующих поверхность нагруженного и заземленного электродов.
Важное преимущество ВЧЕ разрядов - относительная простота их масштабирования. Основным недостатком является связь между энергией бомбардирующих поверхность ионов и рассеиваемой мощностью, что затрудняет контроль ионной бомбардировки обрабатываемой поверхности. Путь к преодолению этой проблемы - изменение частоты источника питания. При более высоких частотах для реализации той же самой мощности требуются меньшие напряжения. В последнее время для независимого управления энергией ионов и рассеиваемой мощностью используют ВЧЕ разряды, работающие на двух частотах [63-65]. Энергия ионов, бомбардирующих поверхность электродов в ВЧЕ разряде, составляет десятки-сотни эВ [66-70].
Особенностью ВЧЕ разрядов, определяющей значительную часть его физических и технологических свойств, является наличие ВЧ диодного эффекта [71]. Проявляется он в образовании пристеночного слоя положительного пространственного заряда с большой постоянной разностью потенциалов плазма-стенка. В условиях самостоятельного ВЧЕ разряда ВЧ напряжение электродов ведет к образованию приэлектролных слоев и служит для поддержания плазмы. Поверхность электродов служит стоком для части электронов, ускоряемых потенциальным электрическим ВЧ полем, что приводит к формированию слоев положительного пространственного заряда и,
26
как следствие, к появлению больших стационарных положительных потенциалов квази нейтрального объема плазмы относительно стенок газоразрядной камеры. Тяжелые ионы, находящиеся в плазме, за период поля можно считать покоящимися, а их вкладом в ВЧ ток пренебречь. Объем квази нейтральной плазмы ВЧЕ разряда вследствие диодного эффекта отделен от ВЧ электродов переходными слоями, в которых нарушается квазинейтральность и сосредоточены основные падения постоянного и ВЧ полей. ВЧ ток в слоях замыкается, преимущественно токами смещения, поэтому слои имеют емкостный импеданс. Болес того, емкостное сопротивление приэлектродных слоев оказывается самым большим в цепи разрядного тока, что определяет, в конечном итоге, характер импеданса всего ВЧЕ разряда.
В осциллирующем электрическом иоле электроны, наряду с хаотическим движением, совершают регулярные колебания; осциллирующие слои пространственного заряда могут нагревать электроны [72]. ВЧЕ разряды могут существовать в двух формах: так называемые а- и у- разряды. В а- разряде в приэлектродном слое ток замыкается током смещения, в у- разряде существенную роль в формировании тока играют слои пространственного заряда у обоих электродов, параметры и основные свойства этих слоев подобны параметрам и свойствам катодного слоя тлеющего разряда [3, 14].
Исследованию приэлектродных слоев ВЧЕ разрядов низкого давления посвящен целый ряд работ [72, 74-79].
Важным свойством ВЧЕ разрядов является то, что они далеки от состояния термодинамического равновесия [62]. Электроны в центральной квазинейтральной плазме приобретают более высокую среднюю энергию по сравнению с ионами. Электроны не могут передать энергию, набранную ими в электрическом поле, намного более тяжелым ионам и нейтральным частицам (атомам, молекулам и радикалам), поскольку частота столкновений
27
недостаточно высока и энергия, передаваемая электронами тяжелым частицам при упругих столкновениях пропорциональна отношению масс. Электроны теряют свою энергию в основном в неупругих столкновениях, таких как возбуждение, диссоциация и ионизация. Соответственно, первой ступенью плазмохимических процессов в ВЧЕ разрядах является диссоциация молекул исходного газа на радикалы, инициируемая электронами. Таким образом, в ВЧЕ разрядах критическим параметром, определяющим свойства разряда, является функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Исследованию ФРЭЭ в ВЧ разрядах посвящено достаточно большое число работ, например [80-84]. Систематическое исследование граничных эффектов в емкостном ВЧЕ разряде показало, что в приэлектродных слоях ВЧЕ разряда формируется высокоэнергетические электронные пучки, оказывающие значительное влияние на процессы в ВЧЕ разряде и его параметры [78, 79, 81, 85].
1.1.2. ВЧЕ разряды в магнитном поле. ВЧ разряды емкостного типа широко применяются для модификации поверхности, в частности, для травления, распыления и плазменного осаждения покрытий [2, 60, 61, 86, 87]. Поскольку в сверх больших интегральных микросхемах размер элементов постоянно уменьшается, реактивное ионное травление (РИТ) для изготовления структур используется все чаще и роль этой технологии постоянно возрастает. Несмотря на тот факт, что скорость РИТ обычно меньше, чем при плазменном травлении, реактивное ионное травление является в настоящее время процессом, используемым в системах с одной обрабатываемой пластиной. Однако, РИТ часто приводит к нежелательным радиационным повреждениям и/или загрязнениям поверхности, которые должны впоследствии удаляться [88]. Поэтому необходимы методы обработки, дающие более высокие скорости обработки и меньшее количество повреждений обрабатываемой поверхности. ВЧЕ разряды в магнитном поле позволяют получить более высокие скорости травления и малые энергии бомбардировки ионов. Уменьшение энергии ионов приводит к снижению количества повреждений и уменьшает потребность в
28
отжиге радиационных повреждений. Реактивное ионное травление в ВЧЕ разрядах, активированных магнитным полем, называют магнитно активированным реактивным ионным травлением (МАРИТ)2.
Лишь небольшое количество работ посвящено изучению
фундаментальных свойств ВЧЕ разрядов в магнитном поле [12-15, 89, 90]. В работах 113, 14] исследована плазма и электрические характеристики разрядов цилиндрической геометрии в поперечном магнитном поле, при постоянном и высокочастотном токах. Наблюдаемые тенденции образования постоянного напряжения самосмещения и удержания плазмы, объясняются влиянием магнитного поля на транспортные характеристики электронов. Влияние поперечного магнитного поля на вольтамперные характеристики ВЧЕ разрядов цилиндрической геометрии исследовано в работе [13]. При 13.56 МГц наблюдаются синусоидальные колебания плавающего потенциала, которые можно было бы ожидать для разрядов с преимущественно емкостными слоями. Как ожидалось, величина постоянного напряжения самосмещения оказалась функцией индукции магнитного поля, постоянное напряжение самосмещения уменьшается с увеличением магнитного поля. Отсутствие значительного постоянного напряжения самосмещения в ВЧЕ разрядах цилиндрической геометрии (13.56 МГц) в магнитном поле было замечено также в работе [ 12].
В ВЧЕ разряде при нулевом магнитном поле разрядный ток опережает приложенное напряжение, усредненная разность фаз уменьшается с ростом индукции магнитного поля, так что при 200 Гс разность фаз обычно меньше 60°. Уменьшение сдвига фазы с увеличением магнитного поля указывает на то, что слои становятся более резистивными. Надо заметить, что реальная мощность, вкладываемая в плазму, зависит от индукции магнитного поля вследствие влияния магнитного поля на фазовое соотношение между током и напряжением [14]. По мере того как перпендикулярное к ВЧ электрическому
2 Magnetically enhanced reactive ion etching (MERIE).
29
полю магнитное поле увеличивается напряжение самосмсщсния и сдвиг фаз между ВЧ напряжением и током уменьшаются. Это следует из уменьшения подвижности электронов в направлении ВЧ поля вследствие дрейфа электронов в направлении ЕхВ и уменьшения потерь электронов на стенках. Плазма становится более резистивной, следовательно это должно привести к более высокому падению напряжения в плазме и пропорционально уменьшается напряжение на слое.
Параметры слоя у ВЧ электрода, такие как толщина, постоянное напряжение самосмещения, длительность катодной и анодной фаз оказывают непосредственное влияние на поток ионов, падающих на подложку. В [89] с помощью гидродинамической модели, дополненной расчетами методом Монте-Карло параметров вторичных электронов, показано, что с увеличением магнитного поля, энергия потока ионов падающих на подложку уменьшается и его угловое расширение увеличивается.
В ВЧЕ разрядах мощность, поглощаемая электронами, используется для создания и поддержания плазмы, энергия ионов рассеивается на электродах во время ионной бомбардировки. Значительный сдвиг в балансе мощности наблюдается, когда приложено магнитное поле [90]. Затраты мощности положительных ионов значительно уменьшаются при наложении магнитного поля поскольку при заданной ВЧ мощности ВЧ напряжение уменьшается. В электроогрицательной плазме дополнительная мощность (разница в рассеиваемой мощности ионов без и с магнитным полем) расходуется не электронами, а отрицательными ионами [90].
Основной недостаток магнетронных полей - неоднородности скорости травления, которые они индуцируют [91, 92]. Чтобы избежать неоднородностей в скорости травления вдоль пластины были предложены различные методы и новые источники с ВЧЕ разрядом в магнитном поле. К таким методам можно отнести неоднородное магнитное поле [93], переменное или вращающееся
30
магнитное поле [94], полый электрод [95, 96] и другие [97]. Новые источники позволяют получать примерно однородное травление подложки [93-97].
В [98, 99] были исследованы скорости травления 57 и 5702 в СР4 и СЯГз плазме ВЧЕ разряда в зависимости от индукции магнитного поля. Максимальные скорости травления наблюдались при средних значениях магнитного поля, которые не соответствуют максимальной плотности радикалов. Зависимость отношения скоростей травления 57/5702 от приложенного магнитного поля авторы объясняют комбинированным влиянием возрастающей плотности радикалов и уменьшающимся напряжением самосмещения. Максимальные скорости травления при средних значениях магнитного ноля также наблюдались в работе [12].
В работе [99] были изучены радиационные повреждения, возникающие при МАРИТ. Из протравленных кремниевых образцов изготавливались диоды Шоттки и измерялся ток утечки при обратном напряжении смещения. Степень радиационных повреждений коррелировала с величиной тока утечки диода и уменьшалась с увеличением магнитного поля. Степень зафязнения поверхности, обнаруживаемая по вторичным ионам масс-спектросконией, также была ниже при более высокой индукции магнитного поля.
МАРИТ системы используются также для плазменного осаждения тонких пленок. Многие типы покрытий получены с помощью этой технологии и использованы внутри и вне полупроводниковой промышленности [100]. Изучалось осаждение как неорганических пленок, таких как оксиды и нитриды кремния, так и органических пленок. При наложении магнитного поля наблюдалось увеличение скорости осаждения пленок. [100, 101].
Магнитное поле влияет на энергию и концентрацию электронов и, следовательно, на концентрацию активных частиц. Использование магнитного поля в разрядах в смесях газов может приводить к пространственному разделению компонент смеси [10]. В свою очередь скорость