Цели и задачи курса. Наукоемкие ионно-плазменные технологии в радиоэлектронике и перспективы их развития и применения.

Интенсивные исследования ВЧ-разряда начались сравнительно давно, еще в первой половине 20-го столетия. Исследователи отметили разительные отличия разрядов на ВЧ и постоянном токе. Наблюдается несхожесть структуры свечения разрядов, а также значительная разница в величинах потенциалов зажигания и горения, у ВЧ-разряда они много меньше, чем у тлеющего на постоянном токе. Только эти факты говорят о наличии существенной разницы в физике двух разрядов.

Известны два основных способа возбуждения высокочастотного разряда низкого давления – емкостной и индукционный. Соответственно два вида ВЧ-разряда Е-разряд и Н-разряд. На рис. 1.1 изображены типичные способы осуществления индукционного и емкостного ВЧ-разрядов. Н-разряд зажигают при помощи спиралевидного индуктора, внутри которого располагается, как правило, цилиндрическая кварцевая камера, соединенная с вакуумной системой, поддерживающей необходимое давление плазмообразующего газа. Ток высокой частоты пропускается через индуктор. В этом случае силовые лини электрического поля замкнуты внутри газоразрядной плазмы, возбуждающее поле является вихревым. Явление электромагнитной индукции, очевидно, является основой рассматриваемого способа зажигания ВЧ-разряда.

На рис. 1.1 (б) указаны три часто наблюдаемые в практике варианта осуществления Е-разряда. Возбуждающее ВЧ поле является потенциальным, высокочастотное напряжение подается на электроды, непосредственно контактирующие с плазмой или защищенные диэлектриком.

При индукционном разряде пробой осуществляется вихревым электрическим полем, напряженность которого, согласно закону электромагнитной индукции, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Отсюда с ростом частоты ВЧ поля растет и напряженность вихревого электрического поля возбуждающего разряд, увеличивается энергия, передаваемая в плазму. При низких частотах индукционный разряд малоэффективен в сравнении с емкостным. С увеличением частоты до десятков и сотен МГц вкладываемая в Н-разряд мощность растет и он становится более эффективным, чем Е-разряд. При аналогичных условиях (одинаковой мощности ВЧ генератора, давлении в разрядной камере) плотность плазмы индукционного разряда, в случае высоких частот, становится более высокой, чем емкостного. Для Е-разряда, как будет показано далее (раздел I.3), вкладываемая мощность с ростом частоты поля уменьшается.

Каждый из приведенных выше способов осуществления ВЧ-разряда характеризуется своим особым распределением ВЧ полей и, следовательно, своим пространственным распределением параметров разрядной плазмы, спецификой потерь заряженных частиц и взаимодействия плазмы с поверхностью стенок разрядной камеры и электродов. Вместе с тем, в физике всех рассмотренных видов ВЧ-разрядов имеется одна общая и наиболее существенная часть, к рассмотрению которой мы и перейдем. Речь идет о взаимодействии ВЧ электрического поля с заряженными частицами, о механизме «накачки» энергии в высокочастотную разрядную плазму, о механизме ВЧ пробоя.

Рис. 1.1. Способы осуществления ВЧ-разряда низкого давления.

а) индукционный разряд, 1 – индуктор, 2 – разрядная камера.

б) емкостной разряд, 1 – электроды, 2 – разрядная камера, 3 – диэлектрические пластины, 4 – цилиндрическая кварцевая разрядная камера.

Физика зажигания разряда на постоянном токе

Запишем уравнение движения электрона в высокочастотном электрическом поле в следующем виде [2, 3]:

где U – направленная скорость электрона; Е – напряженность электрического поля; m - масса электрона, е – его заряд; g – коэффициент трения электронов в плазме, обусловленный наличием столкновений.

В силу того, что частота упругих столкновений электрона с тяжелыми частицами во много раз превышает частоту его неупругих взаимодействий, коэффициент g можно выразить через эффективную частоту упругих столкновений ν₀ столкновений следующим образом:

. (1.2)

Данное выражение следует из того, что сила трения между рассматриваемыми частицами с одной стороны равна gU, а с другой стороны равна изменению импульса в единицу времени за ν₀ столкновений. Таким образом, .

Напряженность ВЧ электрического поля с циклической частотой ω и амплитудой Е₀ можно выразить таким образом:

. (1.3)

Уравнение (1.1) с учетом (1.2) и (1.3) перепишем в виде:

Направленную скорость U найдем путем интегрирования уравнения (1.4), при этом полагаем, что изменение напряженности ВЧ поля вдоль траектории движения электрона нет. Это предположение справедливо для типичной практической ситуации, когда используется ВЧ генераторы с частотами не превышающими 40 МГц. В этом случае длина волны достаточно велика, а фазовая скорость волны U_ф много больше тепловой скорости электронов.

В результате решения уравнения (1.4) [4] получим:

, (1.5)

где

Комплексная величина называется подвижностью электрона в высокочастотном электрическом поле. – коэффициент пропорциональности между направленной скоростью электрона и напряженностью ВЧ электрического поля.

Рассматриваем аналогичным образом подвижность иона с массой m_i, нетрудно заметить, что ее величина будет в раз меньше, чем подвижность электрона.

Следует отметить, что активная и реактивная составляющие подвижности являются функцией величины направленной скорости. Так как частота упругих соударений зависит от суммы направленной и тепловой скорости U_T. Последняя, как известно, может быть определена по формуле: . Тепловая скорость в свою очередь также зависит от величины направленной скорости в силу того, что разогрев плазмы происходит, преимущественно, путем передачи энергии от ВЧ поля к заряженным частицам, главным образом к электронам, и от них всем прочим частицам плазмы (атомам, молекулам, радикалам, ионам).

Плотность тока j, протекающего через плазму в какой-либо локальной области пространства, для которой концентрация электронов n_e и их температура Т_е постоянны, можно записать через направленную скорость U:

, (1.7)

где

активная и реактивная составляющие проводимости плазмы в рассматриваемой локальной области.

Из выражений (1.6) и (1.8) следует, что характер подвижности электронов и проводимости плазмы существенным образом зависит от соотношения величин ω и ν₀. Рассмотрим три случая, когда ω>>ν₀, ω<<ν₀ и ω~ν₀. В качестве примера примем ω = 85,20 МГц, что соответствует одной из наиболее часто используемой в практике частоты генерации 13,56 МГц (длина волны λ = 22 м).

1. ω>>ν₀. Из (1.6) и (1.8) следует, что μ_a<<μ_r, σ_а<<σ_r. Разрядная плазма для высокочастотного генератора является реактивной нагрузкой, через нее протекает преимущественно реактивный ток. Электроны движутся в основном в фазе с изменением ВЧ электрического поля, в течение одной половины периода электрон, ускоряясь, набирает энергию, а во вторую половину периода отдает всю энергию полю, претерпевая в нем торможение. Величина мощности ВЧ поля, потребляемая плазмой, в этом случае, близка к нулю. Сдвиг фаз между током и полем близок к .

Рассматриваемый случай реализуется при условии, когда длина свободного пробега электрона λ_е значительно больше амплитуды свободных колебаний электрона в ВЧ поле А₀. Определим примерный диапазон рабочих давлений, соответствующий описываемой ситуации для выбранной нами частоты ВЧ поля 13,56 МГц. Величину А₀ можно найти из уравнения свободного движения электрона вдоль координаты х, по которой направлено осциллирующее электрическое поле.

, (1.9)

откуда

При ω = 85,20 МГц и типичном значении Е₀ ≈ 10 В^.см^-1, А₀ = 2,4 см. Длина свободного пробега электрона при давлении р = 130 Па для различных газов и энергий электрона равна приблизительно 4∙10^-2 см [1].

Сопоставляя указанные величины, приходим к заключению о том, что рассматриваемый случай, когда плазма является преимущественно реактивной нагрузкой, реализуется только при относительно низких давлениях менее 1 Па.

2. При увеличении давления, когда величина ν₀ приближается к величине ω, возрастают активные части подвижности электрона и проводимости плазмы, реактивные составляющие убывают. Плазма все в большей степени начинает поглощать энергию поля. Это связано с тем, что электроны при столкновениях с тяжелыми частицами меняют направление (фазу) своего движения и все чаще реализуется такой случай, когда эта смена фазы совпадает во времени с изменением фазы ВЧ поля и электроны ускоряются в течение ряда последующих полупериодов колебаний Е. При столкновениях электрона с атомами и молекулами в результате чисто упругого взаимодействия или при наличии неупругих процессов (например, возбуждение вращательных состояний молекул) теряется часть его энергии, но эти потери много меньше порций энергии приобретаемой вследствие изменения фазы движения.

Таким образом, передача энергии поля электронам осуществляется в ВЧ-разряде исключительно благодаря наличию столкновений. Это является основным отличием физики ВЧ-разряда от физики разряда на постоянном токе, где единственным следствием столкновений электронов с заряженными частицами является потеря ими части энергии.

3. ω << ν₀ иначе > 100. В этом случае через плазму протекает в основном активный ток . Плазма является преимущественно активной нагрузкой, что реализуется при относительно высоких давлениях. Этот диапазон давлений приблизительно можно определить из условия λ_e<0 или > 100. Воспользовавшись приведенными в пункте 1 этого раздела данными, получим р > 200 Па.

С увеличением давления и ростом ν₀ усиливается разогрев тяжелых частиц плазмы, уменьшается разница между электронной и газовой температурами. Газовая температура достигает величины 1000 К и более, что не обеспечивает низкотемпературность обработки тонкопленочных структур полупроводниковых приборов и интегральных схем. Неравновесность плазмы также снижается, уменьшается эффективность плазмохимической обработки. Именно поэтому на практике используется относительно узкий диапазон давлений плазмообразующего газа 20-200 Па (без использования магнитных полей, наложенных на разряд).

Высокочастотный пробой. Потенциалы зажигания и горения
Вначале дадим определения перечисленным в названии данного параграфа понятиям.

Под высокочастотным пробоем понимают процесс возникновения самостоятельного разряда при воздействии высокочастотного поля, характеризующийся лавинообразным ростом концентрации заряженных частиц в разрядном объеме.

Минимальная напряженность электрического ВЧ поля, при которой происходит пробой, называется критической напряженностью. Соответствующее этой напряженности высокочастотное напряжение, подаваемое на электроды, называется потенциалом зажигания разряда V_з. Потенциал горения ВЧ-разряда равен наименьшему напряжению, при котором разряд еще не гаснет.

Скорость размножения электронов в разряженном газе при наложении ВЧ электрического поля, очевидно, зависит от следующих трех факторов:

1. 
   быстроты нарастания их энергии в поле;
   
2. 
   скорости диффузии электронов из разрядного объема;
   
3. 
   скорости объемной гибели в результате процессов рекомбинации и прилипания.
   

где V_обр – скорость образования электронов; V_гиб – скорость их гибели.

В нашем случае выражение (1.13) можно расписать следующим образом:

, (1.14)

где _u – частота ионизирующих столкновений электронов, х_е – скорость их рождения в результате различных химических реакций (например, ассоциативная ионизация); D_e – коэффициент диффузии электронов; _е – коэффициент объемной электронно-ионной рекомбинации; _n – эффективная частота прилипания электронов к атомам или молекулам с образованием отрицательных ионов, учитывающая компенсирующие процессы отлипания.

В силу того, что при плазмохимической обработке используются сложные по своему составу плазмообразующие газовые смеси, включающие, как правило, электроотрицательные компоненты, второй и пятый члены уравнения (1.14) могут быть весьма значительны. Вместе с тем, малость величины применяемых рабочих давлений (p 200 Па), и как следствие, низкая концентрация электронов в рассматриваемом случае (n_e 10¹² см^-3), дает возможность пренебречь рекомбинационными потерями электронов в разрядном объеме. Этот вывод вытекает из высокой скорости диффузии электронов и малой величины _е.

Рассмотрим качественно процесс развития ВЧ-разряда низкого давления. В первую очередь остановимся на рассмотрении главенствующего фактора, определяющего размножение электронов, выделенного нами в начале настоящего параграфа. Скорость нарастания энергии электронов зависит не только от частоты и напряженности ВЧ поля (как это было показано в предыдущем параграфе), но и от потерь энергии при упругих и неупругих столкновениях. В каждом акте упругого столкновения с тяжелой частицей (атомом, молекулой) электрон, как известно, отдает небольшую долю своей энергии порядка отношения масс сталкивающихся частиц. Неупругие потери связаны, прежде всего, с возбуждением вращательных и колебательных состояний молекул, характеризующимися низкими энергиями, примерно от 10^-6 эВ до нескольких эВ, а также с возбуждением электронных состояний атомов и молекул, энергии которых сравнимы с потенциалами их ионизации. Кроме того, неупругие потери происходят в результате химических реакций, таких как диссоциация молекул электронным ударом или диссоциативное прилипание.

Этот скачок, вероятно, обусловлен изменением механизма зажигания разряда вследствие изменения механизма увода электронов из разрядного промежутка. Действительно, с ростом указанных выше параметров уменьшается амплитуда колебания электрона А, которая в раз меньше, чем амплитуда свободных колебаний . При увод электронов обусловлен преимущественно подвижностью электронов в ВЧ поле, а при главенствующими становятся диффузионные потери электронов. В первом случае уход электронов из разрядного промежутка происходит интенсивнее и поэтому потенциал зажигания будет выше для соответствующей области параметров

При колебательном движении электронов в разрядном промежутке на электроды попадают и захватываются только те электроны, которые в своем среднем положении удалены от электрода менее, чем на А. Вместе с тем электроны, у которых среднее положение находится в центральной области разрядного промежутка (d – 2A), не будут захватываться на электроды до тех пор пока они не продиффундируют в приэлектродные области шириной А. Эти приэлектродные области будут периодически с частотой f освобождаться от электронов. Электроны, таким образом, преимущественно сосредоточены в области (d – 2A), которая будет колебаться под действием ВЧ электрического поля с амплитудой А и частотой f между двумя электродами поочередно касаясь их. Эту центральную область, шириной (d – 2A), мы будем в дальнейшем называть виртуальным разрядным промежутком.

Основываясь на изложенных выше представлениях и принимая во внимание условие слабой диффузии электронов, когда выполняется соотношение , где d_e – среднее расстояние диффузии электронов за период ВЧ поля , был предложен следующий критерий зажигания заряда [5]:

, (1.18)

где U – направленная (дрейфовая) скорость электронов при зажигающем напряжении V_з.

В выражении (1.18) высокочастотный коэффициент ионизации  равен:

, (1.19)

где z – выход ионизации, E_эфф – эффективная напряженность ВЧ поля.

Величину d_e можно оценить по формуле:

, (1.20)

где _е^/ - длина свободного пробега электрона при р = 1 Торр, U_T – средняя скорость хаотического движения электронов.

На рис. 1.7. приведены экспериментальные измеренные характеристики зажигания ВЧ-разряда в водороде между дисковыми электродами диаметром 43 мм, а также вычисленные характеристики на основании уравнения (1.18) для этих экспериментальных условий. Как видно, ход вычисленных кривых V_З = f(pd) хорошо совпадает с экспериментальными в области скачка и правее него. В области малых значений pd (левее скачка) данная теория не может объяснить возникновение разряда, так как для этой области, вероятно, значительную роль начинают играть процессы на поверхности электродов.


d

Рис. 1.7. Сравнение экспериментально измеренных (1, 2, 3) и рассчитанных (а, b, с) характеристик зажигания ВЧ-разряда в водороде. f =

Представленные на рис. 1.7 экспериментальные кривые были получены по обычной методике, когда вначале устанавливается определенное значение pd, и затем постепенно повышается ВЧ напряжение. Характеристика, изображенная на рис. 1.8 была получена иначе, вначале устанавливалось давление немного ниже того, что соответствует скачку и прикладывалось ВЧ напряжение, превышающее минимальное V_з характеристики, как это изображено линией со стрелками на рис. 1.8, и затем увеличивали давление до зажигания заряда. Таким образом, удалось проследить ранее недоступную область характеристики, соответствующую верхней ветви теоретических кривых. Такой ход кривой зажигания объясняет скачкообразный переход характеристики при ее определении обычным путем. В действительности наблюдаемый резкий скачок есть переход точки С на участке ав (рис. 1.8).

Величина скачка на характеристике зажигания зависит от сорта плазмообразующего газа, так как от него зависит величина . При относительно больших значениях d_e диффузия электронов приводит к размытию краев виртуального разрядного промежутка. Роль диффузионных потерь остается высокой и в области параметров p, d, f, где существенным становится увод электронов ВЧ полем. Сказанное, хорошо иллюстрируется экспериментально полученными характеристиками зажигания для водорода и аргона
(рис. 1.9.), для которых величины соответственно равны 0,15 и 0,40.


p, 133,3 Па

Рис. 1. 8. Характеристика зажигания ВЧ разряда в водороде. (В области скачка ход характеристики близок к вычисленному). f = 1,55 МГц, d = 3,52 см [6].

Рис. 1.9. Характеристика зажигания ВЧ-разряда в водороде и аргоне.

f = 2,4 МГц, d = 1,3 см [6].
Высокочастотный разряд соответствующий ветви cd характеристики зажигания (рис. 1.8.), который мы в дальнейшем и будем называть -разрядом, существенно отличается по своим свойствам от -разряда (участок ав характеристики). -разряд характеризуется малой проводимостью. Свечение разряда специфично, оно сосредоточено посередине разрядного промежутка в виде диффузионного светящегося облака, которое в своей средней части может иметь более темную область. -разряд имеет относительно высокую проводимость. Его свечение имеет слоистую структуру весьма напоминающую структуру свечения тлеющего разряда постоянного тока, что указывает на аналогию физики горения этих разрядов.

При фиксированных параметрах p, d и f могут существовать две формы ВЧ-разряда  и . После зажигания -разряда при дальнейшем увеличении ВЧ напряжения происходит как бы повторное зажигание заряда, -разряд скачком переходит в разряд типа . На рис. 1.10 приведена характеристика зажигания ВЧ разряда в водороде, пунктирной линией дана характеристика повторного зажигания  в -разряд. Последняя является продолжением  ветви, но смещена несколько вниз, по-видимому, вследствие создания -разрядом некоторой начальной ионизации в разрядном промежутке.

Переход разряда из  в  форму с увеличением ВЧ напряжения можно рассматривать как перераспределение объемных зарядов в зарядном объеме, обусловленное изменением механизма увода электронов. Сильное постоянное поле, существующее при
-разряде, приводит к бомбардировке электродов энергетичными ионами, что влечет за собой протекание ряда процессов, характерных для тлеющего разряда постоянного тока. Подробнее на вопросе возникновения объемных зарядов и постоянных потенциалов пространства в ВЧ-разряде мы остановимся в следующем разделе. В заключение же этого раздела рассмотрим влияние наложенного постоянного напряжения на потенциал зажигания  и  разрядов.

Рис. 1. 10. Характеристика зажигания ВЧ разряда в водороде.

f = 3 МГц, d = 2,64 см. Пунктирной линией показана характеристика вторичного зажигания -разряда [6].

Рис. 1.11. Зависимость потенциала зажигания  и  разрядов от наложенного постоянного напряжения. f = 3 МГц, d = 1,76 см; p = 70 и 4,2 Торр для кривых  и  соответственно [6].

Интересно отметить, что в эксперименте можно наблюдать эффект тушения зажженного заряда типа  наложением постоянного напряжения, что невозможно сделать с -разрядом, интенсивность горения которого только увеличится.

Рассмотренные здесь две формы ВЧ-разряда и связанные с ними эффекты имеют место при использовании различных сложных по составу плазмообразующих газовых смесей, применяемых в процессах плазменного травления и удаления тонких пленок. Сказанное основывается на многочисленных экспериментальных наблюдениях авторов настоящей работы.
Лекция 4
Физика горения разряда
Физика горения разряда на постоянном токе
Физика горения ВЧ разряда

Постоянные пространственные заряды и потенциалы
В высокочастотном электрическом поле, как мы это уже выяснили в параграфе 1.2, электроны и ионы совершают дрейфовые колебания. На хаотическое тепловое движение заряженных частиц накладывается дрейфовое в направлении электрического поля (для случая емкостного заряда – в направлении перпендикулярном электродам). Амплитуда дрейфовых колебаний электронов А в раз меньше, чем амплитуда свободных колебаний A₀, т.е.:

. (1.21)

Направленная (дрейфовая) скорость и амплитуда колебаний ионов в раз меньше, чем у электронов. Для типичных условий ВЧ-разряда низкого давления это отношение имеет величину порядка 10⁴. Поэтому, при рассмотрении колебательного движения заряженных частиц в ВЧ-разряде, можно считать ионы неподвижными. Отсюда следует, что в результате увода электронов из приэлектродной области шириной примерно А возникает слой пространственного заряда, а также стационарный положительный потенциал разрядной плазмы относительно потенциала электродов.

В ряде работ [7-10] с помощью электрических зондов определено наличие больших стационарных полей в ВЧ-разрядах низкого давления, разность потенциалов между плазмой и электродами V₀ достигала нескольких сот вольт (порядка величины прикладываемого напряжения). Была сделана попытка [10] объяснить возникновение большого значения V₀, которое не может быть обусловлено амбиполярной диффузией и плавающим ленгмюровским потенциалом. Выдвинуто предположение, согласно которому большой значение величины V₀ имеет место вследствие уменьшения концентрации электронов в приэлектродных областях толщиною А и поглощения их электродами, что не компенсировалось медленной диффузией электронов из центральных областей разряда. Полученное же [10] теоретическое V₀ не соответствовало экспериментальным данным [9, 10]. Ошибка состояла в пренебрежении тепловым движением электронов и реальными граничными условиями в газоразрядной плазме [11].

Направленная (дрейфовая ) скорость электронов в плазме ВЧ-разряда подчас много меньше тепловой и поэтому масштаб разделения зарядов на границе плазмы  будет определяться не амплитудой колебаний электронов А, а длиной поляризации плазмы в электрическом поле. Для малых разностей потенциалов в области пространственного заряда V<e (V_e – температура электронов, выраженная в единицах потенциала) величина  будет, очевидно, равна дебаевскому радиусу D:

При V>>V_e [12]:

Таким образом, с развитием ВЧ-разряда в результате увода электронов ВЧ-полем или их ухода на электроды вследствие наличия значительных тепловых скоростей возникает двойной электрический приэлектродный слой. Образование этого слоя является причиной появления большого потенциала V₀, что происходит в результате выпрямления ВЧ напряжения на нелинейной комплексной проводимости приэлектродного слоя пространственного заряда [11]. Авторы работы [11] получили теоретические выражения для разности потенциалов плазмы и электрода в симметричном Е-разряде V₀, когда площади электродов равны, и для несимметричного разряда (V₀^/), когда площадь одного электрода много больше другого. Вот они:

где V_ВЧ – амплитуда ВЧ напряжения,  – его фаза, I₀ – модифицированная функция Бесселя.

Выражение (1.25) полностью соответствует выражению для приращения плавающего потенциала одиночного ленгмюровского зонда под действием переменного напряжения большой амплитуды, полученного в работе [13]. Это соответствие легко объяснимо, так как импеданс слоя у малого электрода значительно больше импеданса у большого электрода, и, следовательно, приложенного ВЧ напряжение падает почти полностью у малого электрода.

Для ВЧ-разряда величина V_ВЧ много больше V_e, практически выполняется условие V_ВЧ>10V_e. При этом условии, как показали расчеты [11], интеграл из уравнения (1.24) в функции V_ВЧ/ V_e аппроксимируется выражением – . Следовательно:

и при V_ВЧ>>V_e первым членом этого выражения можно пренебречь

Для коаксиального разряда с цилиндрическими электродами радиусами R и r (R>r) [11]:

при V_ВЧ>>V_e [14]:

где .

Рассмотренные теоретические выводы находятся в согласии с известными экспериментальными данными [11, 14]. Сравнение экспериментальных результатов с теорией показало хорошее качественное и количественное соответствие (рис. 1.12 и 1.13) [14]. Небольшое превышение экспериментальных значений V₀ (рис. 1.12) над теоретическими, по-видимому, объясняется диффузионным падением потенциала от центра плазмы (где помещался зонд) к ее границе, которое определяется следующим выражением [14]:

, (1.30)

где n_e0 – концентрация электронов в центре плазма, n_r - на ее границе.

Для коаксиального разряда (рис. 1.13) теоретическое значение V₀^, наоборот, несколько завышено, так как при малых значениях толщина слоя у малого электрода будет соизмерима с его радиусом, что приводит к увеличению эффективной собирающей поверхности этого электрода. В теории же эффективное значение b определяется как отношение ионных токов насыщения на электроды и поэтому в рассматриваемом эксперименте значения V₀^ несколько ниже теоретических.

На основании рассмотренных теоретических выводов и экспериментальных результатов можно заключить следующее: в тривиальных условиях горения ВЧ-разряда (V_ВЧ>>V_e) возникающий постоянный потенциал между плазмой и электродом для симметричного Е-разряда и постоянная разность потенциалов между электродами в несимметричном или коаксиальном разряде практически не зависят от частоты ВЧ поля, состава плазмообразующего газа и его давления.

Рис. 1.12. Сравнение теоретической (1) и экспериментальных зависимостей потенциала

плазмы от амплитуды ВЧ напряжения. Плазмообразующий газ – гелий, диаметр разрядной трубки – 9 мм, межэлектродное расстояние – 60 мм, давление – 65 Па, частоты ВЧ поля – 3 МГц (·-·), 6 МГц (···), 10 МГц (—) [14].

Рис. 1.13. Сравнение теоретической и экспериментальной зависимости V₀^/ от V_ВЧ для

коаксиального разряда. r = 1 мм, R = 17 мм, длина цилиндрических электродов – 220 мм, плазмообразующий газ – неон, давление – 80 Па [14].
Возникновение значительной постоянной разницы потенциалов V₀ между границей плазмы и электродом имеет ряд следствий, являющихся существенными моментами в физике ВЧ-разряда низкого давления. Рассмотрим их.

1. Происходит ускорение ионов в возникшем постоянном поле до значительных энергий, что может приводить к распылению электродов [10]. На рис. 1.14 представлены функции распределения ионов по энергиям при их вылете их разряда через узкое отверстие в электроде. Как видно, основная часть ионов имеет высокие энергии достаточные для эффективного распыления электродов. В эксперименте процесс распыления электродов наблюдается в режимах, когда потенциал пространства достигает величины порядка нескольких сот вольт. Процесс распыления, как правило, сопровождается осаждением распыленного металла на стенках разрядной камеры. Интенсивность распыления в ВЧ разряде примерно такая же, как и в тлеющем разряде постоянного тока [10]. Часто распыленный металл осаждается вблизи электродов. В общем случае, геометрия напыленного осадка меняется с изменением режима разряда и может наблюдаться перераспыление образовавшегося налета. Перераспыление, очевидно, связано с изменением пространственного распределения параметров разрядной плазмы.

2. Бомбардировка электродов высокоэнергетичными ионами приводит к выбиванию электронов. Таким образом, вследствие возникновения большого потенциала пространства, весь разряд в целом представляет собой как бы комбинацию собственно ВЧ разряда и разряда на постоянном токе, где роль анода выполняет сама плазма.

Рис. 1.14. Функция распределения по энергиям ионов, выходящих из ВЧ-разряда. Плазмообразующий газ – водород, давление – 15 Па, f =