ГЛАВА 5. Методы контроля плазмы, плазмохимических и ионно-плазменных процессов

1. Общие положения

Сложность и многообразие физико-химических процессов, которые имеют место в плазмохимических системах, приводит к тому, что поддержание на одном и том же уровне внешних параметров плазмы, таких как состав, давление и расход плазмообразующего газа, электрическая мощность и др. еще не достаточно для получения воспроизводимых с нужной точностью результатов воздействия плазмы на обрабатываемую поверхность. Причины этого явления могут быть самыми разнообразными. Предположим, что ХАЧ, обеспечивающие протекание целевого процесса, образуются в объеме реактора при действии электронов на молекулы плазмообразующего газа, а гибнут гетерогенно на стенках реактора, в том числе и в целевой реакции, например, на поверхности пластин кремния. Стационарная концентрация ХАЧ в объеме, определяющая их поток на обрабатываемую поверхность, а значит и скорость процесса, есть результат баланса скорости образования и скорости гибели. Кинетические коэффициенты, определяющие скорость гибели, в сильной степени зависят от состояния поверхности, которое под действием реакций может меняться. В силу этого концентрация ХАЧ, а следовательно, и скорость реакции, может быть непостоянной. Поэтому нет никакой гарантии, что при обработке каждой следующей партии изделий в течение времени, определенного по контрольной партии по положительному результату, мы получим воспроизводимые параметры.

Если ХАЧ влияют и на баланс заряженных частиц, то изменение в концентрации ХАЧ приведет к изменениям приведенной напряженности электрического поля , что в свою очередь изменит скорости процессов с участием электронов, концентрации заряженных частиц и т.д. Внешне это будет проявляться в нестабильности параметров разряда, в неустойчивости горения разряда. К подобным явлениям могут приводить и продукты взаимодействия плазмы с обрабатываемой поверхностью. Недостаточный контроль за ходом процесса может свести на нет все преимущества плазмо - и ионно- химических процессов.

В самом общем виде проблему контроля и регулирования можно рассматривать следующим образом. Как показано в разделе, посвященном общим свойствам плазмы, первичными процессами, приводящими в конечном итоге к протеканию целевой реакции, являются процессы с участием электронов. Поэтому если в реакторе заданной геометрии функция распределения электронов по энергиям остается неизменной, то можно ожидать, что состояние системы и продукты реакции будут однозначно определены. К сожалению, в настоящее время имеющиеся экспериментальные методы определения ФРЭЭ имеют в своей основе столько ограничений по требованиям к параметрам плазмы (диапазону давлений, концентраций электронов, наличию шумов плазмы), что их использование вряд ли возможно в промышленных установках. Теоретический анализ кинетического уравнения Больцмана (решением которого является ФРЭЭ) на инвариантность ФРЭЭ показал, что существует набор параметров плазмы, поддержание которых обеспечивает неизменность вида ФРЭЭ. В частности, такими параметрами (инвариантами) являются:  - приведенная напряженность электрического поля,  - произведение общей концентрации частиц на характерный размер реактора, состав газа и вероятности взаимодействия активных частиц с поверхностью.

Экспериментальная проверка выводов теории для плазмы благородных газов, которые химически не реагируют с поверхностью, и для которых число инвариантов невелико подтвердила выводы теории. Для плазмообразующих газов, обычно применяемых в технологии, такой подход нереален, поскольку слишком большое число параметров надо контролировать и некоторые из них неизвестно как контролировать (например, характеристики взаимодействия с поверхностью). Ввиду невозможности решения задачи контроля в общем виде в настоящее время применяется следующий подход. Проводится предварительное исследование процесса с определением зависимости его скорости от внешних задаваемых условий разряда. В ходе исследования определяют один или несколько параметров, которые связаны со скоростью процесса, устанавливают вид этой связи. Если это возможно, устанавливают количественную взаимосвязь параметров контроля с внешними условиями разряда. В последнем случае метод контроля будет носить активный характер, так как он позволяет не только определить момент окончания процесса, но и активно вмешиваться в его ход путем изменения внешних условий разряда для поддержания оптимальной скорости и времени протекания. К сожалению, разработанные в настоящее время методы имеют преимущественно пассивный характер и определяют только момент окончания. Недостаток вышеотмеченного подхода заключается в том, что полученные результаты справедливы только для данного реактора и данного процесса.

В основе выбора параметров контроля лежат два физических источника информации: гетерогенный (обрабатываемая поверхность) и объемный (окружающая его плазма). Поскольку методы получения информации чрезвычайно разнообразны, в данной главе мы остановимся только на некоторых наиболее универсальных «объемных» методах, которые в наибольшей степени отвечают следующим требованиям: обеспечивают контроль физико-химических параметров обрабатываемой поверхности (скорости травления, регистрация моментов начала и окончания процессов); осуществляют контроль основных параметров плазмы; обладают высокой эксплуатационной надежностью, малыми габаритами и легкостью встраивания в технологическое оборудование.