ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН С ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМОЙ

А. Ф. Александров, В. А. Рябый, В. П. Савинов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. Москва, РФ

    Явление отбора части газоразрядного тока в проводящее неизолированное тело, гальванически контактирующее с плазмой, возникает при непостоянстве потенциала плазмы вдоль поверхности тела [1]. Таковым могут служить как металлические детали  проводимости ~10⁴…10⁶ Ом-1см-1, так и кремниевые пластины с более низкой проводимостью ~10^-2...10¹ Ом^-1см^-1, существенно превосходящей тем не менее  электропроводность окружающей плазмы технологических установок (обычно это плазма ВЧ тлеющего разряда проводимости  ~10^-4…10^-1 Ом^-1см^-1 [2]).
    Данное явление затрудняет ход технологических процессов плазменной обработки микроэлектронных подложек и сильно снижает их качество, что было продемонстрировано на примере ряда промышленных установок [1]: отбор газоразрядного тока в кремниевые пластины уменьшает энергетическую эффективность газоразрядных устройств, вызывает плазменную деградацию кремниевых структур из-за перегрева пластин, электрические пробои МОП (металл-окисел-полупроводник) структур и возникновение зарядовых состояний диэлектриков, ухудшающих характеристики интегральных схем.
    В настоящей работе данное явление рассмотрено с позиций физики плазмы и зондов Ленгмюра более подробно, чем это делалось в предыдущих публикациях. Особое внимание уделено достижению ясности понимания уподобления проводящей пластины в плазме короткозамкнутому несимметричному двойному зонду Ленгмюра. Построенная в результате приведённых рассуждений предполагаемая характеристика такого зонда представляется естественной и правильно ориентирующей технологов в практических ситуациях. В заключение рекомендованы приёмы наиболее безопасной и эффективной организации соответствующей плазменной технологии.
    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).

    Литература

1. Александров А.Ф. и др., Тезисы российской конференции  МИКРОЭЛЕКТРОНИКА-94 (Звенигород, 1994).-М.: Изд. РАН, 1994, ч.1, с.239-240.
2. Бойных В.Н., Рябый В.А., Спорыхин А.А. и др., Обзорная информ. электротехнической промышленности СССР, сер.05, в.3(13).- М.: Изд. ин-та ИНФОРМЭЛЕКТРО, 1987, с.11-13.

РАЗРАБОТКА ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ ВЫБРОСНЫХ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ НАНОСЕКУНДНЫХ РАЗРЯДОВ

Амиров Р.Х., Асиновский Э.И., Самойлов И.С.

Институт высоких температур РАН

    Проведены исследования по удалению оксидов серы и азота из продуктов сгорания с использованием импульсного коронного разряда. Закончено построение компьютерной модели для описания химической кинетики в газофазной стадии процесса. Разрабатывается система безреагентного кондиционирования дымовых газов ТЭС путем конверсии диоксида серы в стримерной короне с целью улучшения улавливания в промышленных электрофильтрах зол с высоким электрическим сопротивлением.
    С целью изучения возможности получения чистого озона повышенной плотности и в конденсированной фазе исследованы особенности синтеза озона при криогенных температурах при развитии наносекундного разряда в виде волны пробоя в длинных экранированных трубках. Полученная эффективность синтеза конденсированного озона выше чем в коммерческих озонаторах.
    Исследованы процессы очистки газов в газоразрядных реакторах с сегнетоэлектрическим наполнителем из титаната бария. Продемонстрирована возможность удаления из воздуха малых примесей органических веществ и микроорганизмов. Обнаружено, что энергетическая эффективность стерилизации воздуха слабо зависит от природы микрорганизмов.

СВОЙСТВА ПОТОКА В ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЕ В АРГОНЕ

B.Л. Бычков

Институт высоких температур РАН

    В связи с возможными приложениями в плазмодинамике, прикладной аэродинамике и плазмохимии рассмотрено прохождение потока газа по плазменной области. Область создается электронным пучком при следующих типичных параметрах: длина области L-0.1–1 м, скорость потокаn_aҐ ~10² – 10³м/с, давление газа Р= 30–760 Торр, степень ионизации N_e/N ~ 10^-5–10^-3, температура газа 300 – 600 К, скорость рождения электрон-ионных пар Q~10¹⁸–10²¹см^-3с^-1.
    В частности, исследовано прохождение потока по большой плазменной области разряда в аргоне, когда ее продольные и поперечные характеристики близки по размерам и много больше характерной диффузионной длины заряженных частиц, а также по узкой плазменной области, когда ширина области сравнима с диффузионной длиной. Для анализа использована система уравнений газовой динамики, описывающая поведение атомов, ионов и электронов в плазме в потоке. Учтены процессы рождения электронов в ступенчатой ионизации и гибели в диссоциативной рекомбинации с молекулярными ионами и тройной рекомбинации с атомарными ионами.
    Показано, что в случае прохождения газа по большой плазменной области нагрев газа пучком является существенным практически для всех характерных параметров стационарных пучков. Уравнения для частиц плазмы в этом случае имеют тот же вид, что и в отсутствие потока.
    При прохождении потока газа по узкому слою плазмы, созданной мощным электронным пучком, когда степень ионизации N_e/N10^-3, a температура электронов ~ 1 ЭВ электронное давление может оказывать существенное влияние на свойства потока.
    Анализируются возможные применения полученных результатов для конкретных электронно-пучковых устройств.

Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП “Интеграция” (проект № 450).

УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЛАЗМЫ МИКРОВОЛНОВЫХ РАЗРЯДОВ

В.А. Иванов

Научно-технологический центр ПЛАЗМАИОФАН, Москва, Pоссия

E-mail: ivanov@fpl.gpi.ru

    Представлены экспериментальные результаты по возбуждению на поверхности металлов микроплазменных разрядов и их воздействию на структуру и свойства материала поверхности. Исследования проводились в условиях высокого вакуума (остаточное давление газа около 10^-3 - 10^-4 Па) в цилиндрической вакуумной камере диаметром 100 см и длиной 300см. Для создания и нагрева плазмы использовался мощный импульсный поток микроволнового излучения (длина волныl = 15 см, импульсная мощность от 1 до 10 МВт, длительность импульсов от 1 мкс до 100 мкс), который с помощью квазиоптической рупорно - линзовой - зеркальной системы фокусировался на оси камеры в пятно с характерным диаметром 20см. Величина интенсивности микроволнового излучения в центре фокусного пятна достигала значений 20 кВт/см².
    При воздействии потока микроволнового излучения на диэлектрические материалы (кристаллы фторида лития, плексиглас, фторопласт и др.) сначала возникал нерезонансный вторично-эмиссионный электронный разряд, который вследствие сильного возбуждения диэлектрика трансформировался в безэлектродный микроволновый пробой [1]. В результате разлета плазмы из канала пробоя и ее взаимодействия с микроволновым излучением за время около 1 мкс формировался плазменный факел [2], с характерным радиусом по уровню критической концентрации (n_к=pЧmc²/e²l²» 5ґ10¹⁰см^-3, здесь m, e – масса и заряд электрона, с – скорость света в вакууме) около 10 см с нарастающей электронной плотностью от переферии к центру факела вплоть до 10¹³см^-3. При взаимодействии микроволнового излучения с плазменным факелом до 50% направляемой на факел микроволновой энергии за счет нелинейных эффектов преобразовывался в энергию горячего электронного компонента. При этом в плазме факела формировался спектр электронов, который (в зависимости от мощности микроволнового излучения) в диапазоне энергий 50-1000 эВ характеризовался эффективной температурой T_e =100 ё 300 эВ и неравновесным распределением электронов по энергии в диапазоне 1-20 кэВ [2]. Взаимодействие горячей плазмы микроволнового факела с поверхностью металлических образцов приводило в возбуждению микроплазменных разрядов (униполярных дуг), локализовавшихся на микротрещинах и структурных нарушениях [3]. Вследствие многократного воздействия микроплазменных разрядов на изделия из металлов и сплавов, на их поверхности формировался сплошной переплавленный слой с концентрацией дефектов на несколько порядков ниже исходной. Это приводило к значительному повышению прочности поверхностного слоя металла и всего обрабатываемого изделия.
    Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект №96- 02- 17647) и ФЦП “ИНТЕГРАЦИЯ” (Проект № 450).

    Литература.

1. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е.. Письма в ЖЭТФ, 1994. Т. 59. №10. С. 655- 658.
2. Батанов Г.М., Иванов В.А. В сб. Генерация нелинейных волн и квазистационарных токов в плазме. - М.:Наука,1988, с.46-79. (Труды ИОФАН, Т.16.-ISBN 5-02-000751-X).
3. Алдохин В.Н., Батанов Г.М., Бережецкая Н.К., Воронцова С.Н., Грицинин С.Н., Иванов В.А., Коссый И.А., Лазарева И.Ю., Сергейчев К.Ф. Физика плазмы, 1982, Т.8, В.1, с.182-188.

НОВЫЙ CПОСОБ ОКРАШИВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВС ПОМОЩЬЮ МИКРОВОЛНОВЫХ РАЗРЯДОВ

Г.М. Батанов, В.А. Иванов, М.Е. Коныжев

Институт общей физики PАН, Москва, Pоссия
Phone: +7 (095) 132- 83- 44; e-mail: ivanov@fpl.gpi.ru

    Предлагаемый способ предназначен для селективного создания стабильных при комнатной температуре агрегатных центров окраски в приповерхностном слое пленок и монокристаллов широкого класса диэлектриков и широкозонных полупроводников.
    Способ основан на использовании вторично- эмиссионного электронного или плазменно- факельного микроволновых разрядов, возбуждаемых и поддерживаемых в вакууме на поверхности щелочно- галоидных и других диэлектрических кристаллов в поле мощного импульсного микроволнового излучения. Образование центров окраски в диэлектриках обусловлено бомбардировкой приповерхностного слоя кристаллов высокоэнергетичными электронами микроволновых разрядов [1-3].
    Площадь окрашенной области на поверхности кристаллов фторида лития (LiF) достигает величины ~ 1ґ (10ё 100) см², толщина окрашенного приповерхностного слоя не превышает 1 мкм, оптическая плотность окрашенного слоя в полосах поглощения наведенных F, F₂ и F₃⁺ центров окраски изменяется в диапазоне 0,01-1, концентрации F, F₂ и F₃⁺ центров окраски достигают рекордно высоких значений в диапазоне 10¹⁹-10²¹см^-3 [1-3].
    Окрашенные слои щелочно- галоидных кристаллов могут найти применение в интегральной и волоконной оптике для создания миниатюрных лазеров и оптических усилителей, перестраиваемых в ближней инфракрасной области спектра, а также в качестве оптических запоминающих сред.
    Эсперименты проводились на установке ИВА, в состав которой входят: мощный импульсный магнетрон (с частотой генерации электромагнитных волн 2 ГГц, длительностью импульсов до 50 мкс, мощностью микроволнового излучения до 5 МВт), волноводный тракт с аттенюаторами для транспортировки и ослабления микроволнового излучения, вакуумная камера в виде металлического волновода пpямоугольного сечения 120ґ 57 мм и система безмасляной вакуумной откачки камеры до давления 1ґ 10^-4 Па.
    Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект № 99- 02- 16424) и Федеральной Целевой Программы “ИНТЕГРАЦИЯ“ (Проект № 450).

    Литература.

1. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е., Конюшкин В.А., Миров С.Б. Письма в ЖТФ, 1993. Т. 19. № 20. С. 42- 45.
2. Ter- Mikirtychev V.V., Tsuboi T., Konyzhev M.E., Danilov V.P. Physica Status Solidi (b), 1996. V. 196. No. 1. P. 269- 274.
3. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е., Летунов А.А. Письма в ЖЭТФ, 1997. Т. 66. №3. С. 163- 167.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВУФ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ ГОЛ-3-II

А.В. Аржанников, В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков, А.Ю. Заболотский, Б.А. Князев^*, B.C. Койдан, К.И. Меклер, С.В. Полосаткин, В.В. Поступаев. А.Ф. Ровенских, С.Л. Синицкий

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
^*Новосибирский Государственный Университет, Новосибирск, 630090, Россия

    Задачу по созданию среды с инверсной заселённостью уровней можно разбить на не-сколько этапов, одним из которых является подготовка спектральной аппаратуры для изуче ния спектра и его динамики в заданном диапазоне по длинам волн. В качестве основного средства диагностики многозарядной плазмы в обсуждаемых экспериментах используется ультрафиолетовый спектрометр с решеткой нормального падения. Спектрометр основан на давней разработке [1] и оснащен современной цифровой системой регистрации спектра [2]. Оптическая схема прибора позволяет получить спектры с пространственным разрешением (по координате вдоль входной щели) при времени экспозиции ~1 мкс. Динамика ВУФ излучения плазмы с пространственным разрешением изучается также при помощи 16-канальной обскуры. Эксперименты проводятся с плазмой различного элементного состава. Работа в настоящее время направлена на создание излучающей среды с требуемым ионным составом.

    Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 96-02-19436).

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПОВ ПЛАТИНЫ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКА ИОНОВ НА ОСНОВЕ КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ.

Кузьмин Р.Н., Семашко Н.Н., Соколов Д.В.

РНЦ “Курчатовский институт“, Институт ядерного синтеза, Москва, Россия,

    Целью этой работы было исследование нескольких конструктивных схем  источника ионов платины, предназначенного для электромагнитной сепарации изотопов. Необходимо отметить, что разделение изотопов некоторых тугоплавких элементов ( например, платино-палладиевой группы ) представляет серьезную проблему. Этой теме посвящен ряд исследований [1]-[3], однако предложенные в этих работах методы разделения изотопов элементов , имеющих низкую упругость паров  не являются удовлетворительными прежде всего с точки зрения  коэффициента использования рабочего вещества и кратности обогащения.
    Для разделения изотопов Pt, Ir и Pd  был предложен источник ионов на основе катодного распыления, работы по исследованию которого проводились в ИЯС еще в 1987-88 гг и были продолжены в 1995-98 гг. Ставилась задача получение прибора пригодного для промышленного деления изотопов с помощью  электромагнитного метода. Это означает, что   суммарный ток ионов из источника не должен быть менее 5 ma,  время его  работы должно составлять 200 ч. и более, распределение ионов по энергиям в плазме быть  близким к моноэнергетическому , уровень колебаний в разряде не более 1%, источник должен обладать высокой эффективностью по разделяемому веществу.
    Исследования были проведены с двумя конструкциями источника ионов, отличающихся  расположением распыляемого электрода внутри разрядной камеры. Обе конструкции подтвердили возможность разделения изотопов с помощью источника ионов, основанного на принципе катодного распыления.
    В первом случае ионами вспомогательного газа (Ar,Xe) бомбардировалась непосредственно разрядная камера источника. Максимальный ионный ток Pt из источника составил 5 ma, однако, ресурс такого источника оказался мал вследствие разрушения щели , из-за чего ухудшалась  фокусировка ионных пучков. Поэтому, было предложено поместить распыляемый электрод непосредственно в разрядный канал, изготовив его из платиновой пластины определенной формы. Этот источник ионов удовлетворял всем вышеуказанным требованиям к источникам ионов для электромагнитного разделения изотопов за исключением малой величины ионного тока (2 mА). Предложены решения по увеличению суммарного ионного тока такого источника.

    Литература.

1. В.П.Бочин .В.Е.Гаврилов,В.С.Золотарев. Isotopenpraxis,1971, 7.Jahrgang.Heft,6.
2. M.Krishnan,  M.Geva, and J.L.Hirshfield. Physical Review Letters, 1981.v.46,№ 1,pp.36-38
3. Rahul R. Prasad and Mahadevan Krishnan.J.Appl.Phys 1987,v. 61,№ 9, pp. 4464-4470
4. Н.В. Плешивцев. Атомиздат,1968, с. 70
5. Д.В.Соколов. Материалы VIII международного семинара “ Диагностика поверхности пучками “,Ужгород,1998,с.128-129
6. Р.П.Элиотт. Металлургиздат, 1970,т.1,с.252
7. J.M.Lafferty. J.Appl.Phys,1951, № 3.v.22