Диссертация (1097947), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Для атомов онасоставляет 8000-11000 К и заметно ниже температуры ионов и электронов (12000 – 30000К).Рис.246.РасчетпоСИМ,развитой в диссертации ранней стадиивременнойэволюциитемпературыэлектронов (), ионов () и атомов().Рис.247.РасчетпоСИМ,развитой в диссертации ранней стадиивременнойэволюцииплотностиэлектронов ().ЭволюциюсостоянияЛИПможноразделитьнадвестадии:раннюю,соответствующую временам задержки вплоть до td 10 нс, и позднюю, td 100–300 нс.Наблюдаемое в эксперименте различие температур TiI и TiII возникает на поздней стадиивследствие нарушения ЛТР в плазме.
Расчеты показывают, что Ne, Te, Ta и Ti достигаютзначений, соответствующих условиям ЛТР [1967–1972], за время задержки td 1 нс, чтосогласуется с результатами работы [1984]. Значения Te, Ta и Ti совпадают (рис. 246) чтосвидетельствует о том, что за формирование ФРА и ФРИ титана по возбужденнымсостояниям отвечают столкновения атомов и ионов с электронами.
Баланс заряженныхчастиц показывает, что ионизация атомов титана электронным ударом и трехчастичнаярекомбинация с участием электрона в качестве третьей частицы доминируют вустановлении ионизационного равновесия в ЛИП. Предсказанное моделью значение Ne440варьируется в пределах 1018–1020 см-3 и совпадает с её значением, рассчитанным поформуле Саха при значениях Te, Ta и Ti в диапазоне 25∙103–30∙103 K (рис. 247). Различие Taи Ti на поздней стадии объясняется тем, что формирование ФРА титана по возбужденнымсостояниям определяется возбуждением и девозбуждением состояний TiI электроннымударом, а также их радиационным распадом. В формировании ФРИ титана повозбужденным состояниям наряду с указанными процессами важную роль играютпроцессы стимулированного излучения и реабсорбции.
С ростом плотности лазерногоизлучения температура возбуждения TiII заметно увеличивается. Так, при плотностилазерного излучения 1.75 Дж∙см-2 диапазон изменения Ti составляет 25∙103–11∙103 K, а при6 Дж∙см-2 - 31∙103–14∙103 K. В то же время температура Ta возрастает незначительно.Температуры Ta и Ti слабо зависят от давления кислорода. С увеличением давления вплотьдо 10-1 Тор температура Ta слабо уменьшается.
Температуры Ta и Ti на различныхрасстояниях от мишени различаются во всем диапазоне параметров.Рис.248. Микрофотография пленкииз оксида титана, полученная с помощьюоптического микроскопа. Метод PLD,давление кислорода 10-4 Тор. Плотностьлазерного излучения 2.2 Джсм-2.5.2. Свойства тонких пленок, полученных методами PLD и PA-PLDДля исследований свойств тонких пленок из оксидов титана, полученных методамиPLD и PA-PLD использовались различные методы. Морфология поверхности пленоканализироваласьметодамиполевойэлектроннойспектроскопиииоптическоймикроскопии с цифровой матричной камерой (использовался также для измеренияразмера частиц).
Изучение структуры поверхности пленок проводилось с помощьюэлектронного сканирующего микроскопа. Стехиометрия пленок исследовалась с помощьюрентгено-фотоэлектроннойспектроскопии. Коэффициентоптическогопропусканияполученных пленок измерялся спектрофотометром. Показатель преломления определялся441методом, предложенным в работе [1991], толщина полученных пленок измеряласьпрофилометрами. Экспериментальные данные, свидетельствуют о том, что свойствапленок, приготовленных методами PLD и PA-PLD, зависят от плотности лазерногоизлучения, способа возбуждения и организации ВЧ разряда в камере. Это согласуется срезультатами, опубликованными в [1965–1975].(а)(б)Рис.249. Микрофотографии частиц, полученные с помощью электронногомикроскопа при выращивании пленок TiO2: а - первый тип частиц; б - второй тип частиц.(а)Рис.250.Микрофотографии(б)пленок, полученныеспомощьюоптическогомикроскопа.
Давление кислорода 10-2 Тор. Плотность лазерного излучения 1.3 Джсм-2: а)метод PA – PLD; б) метод PLD.Частицы, наблюдаемые в осажденных пленках можно классифицировать по формеи размеру на три типа (рис. 248). Первый тип частиц, показанный на рис. 249а, имеетнаибольший размер и характеризуется нерегулярной формой. Средний размер этих частицдостигает 20 мкм и выше. Этот тип частиц полностью отсутствует в пленках,442выращенных методом PA-PLD. Второй тип частиц (рис. 249б), имеет приблизительносферическую форму с диаметром 0.8 – 2 мкм и присутствует в пленках, выращенныхметодом PA-PLD, в значительно меньшем количестве, чем в пленках, выращенныхметодом PLD.
Третий тип частиц с диаметром менее 0.2 мкм наблюдается в пленках,выращенных как методом PLD, так и методом PA-PLD. Второй и третий тип частицэжектируютсяизмишенитепловойимеханическойударнымиволнами,индуцированными взаимодействием лазерного излучения с мишенью [69]. В этихусловиях удаление материала мишени происходит благодаря образованию паровой ижидкостной фаз и часть материала, расплавившегося за счёт теплопроводности, удаляетсяв виде капелек приблизительно сферической формы. С увеличением плотности лазерногоизлучения выше 2 Дж/см2 механизм образования частиц изменяется. Частицы размером от15 до 20 мкм образуются в результате разбрызгивания расплавленного материала мишени- абляции.Рис.251.
Фотография пленки,полученная с помощью электронногосканирующего микроскопа. Метод PA– PLD, давление кислорода 10-2 Тор.Плотность лазерного излучения 1.3Джсм-2.Нарис.250представленымикрофотографииповерхностипленокTiO2,выращенных методами PLD и PA-PLD. Наблюдается заметное уменьшение частиц наповерхности и в объеме пленок, выращенных методом PA-PLD (рис. 250а). Это такжеподтверждаетсяисследованиямиморфологииповерхностипленокспомощьюэлектронного сканирующего микроскопа (рис. 251).Выращивание пленок с использованием плазмы дополнительного ВЧ разряда вкислороде (при расположении подложки на высоковольтном электроде) заметно улучшаетих стехиометрию, увеличивая процентное содержания кислорода, а также повыситьскорость осаждения пленок до 2.5 Å/с и увеличить величину показателя преломления икоэффициента пропускания [1967–1972].443Рис.252. Показатель преломления пленок TiO2 в зависимости от давлениякислорода и плотности лазерного излучения: 1 - 10-4 Тор, 0.8 Джсм-2, ВЧ-разряд; 2 - 10-2Тор, 0.7 Джсм-2, ВЧ разряд; 3 - 10-4 Тор, 1.3 Джсм-2, ВЧ-разряд; 4 - 10-2 Тор, 1.3 Джсм -2,ВЧ-разряд; 5 - 10-2 Тор, 0.7 Джсм-2, в отсутствии разряда; 6 - 10-2 Тор, 1.3 Джсм -2, вотсутствии разряда.Рис.253.
Отношение коэффициентов пропускания пленок TiO2, выращенныхметодами PLD и PA-PLD в зависимости от длины волны. Плотность лазерного излучения1.3 Джсм-2; давления кислорода 710-4 Тор444Рис.254. Скорость осажденияпленки: 1 - 10-3 Тор, метод PA –PLD; 2 - 10-2 Тор, метод PLD; 3 - 10-3Тор, метод PLD.Показатели преломления и отношение коэффициентов пропускания пленок,выращенных методами PLD и PA-PLD при различных экспериментальных условиях,приведены на рис.
252 и 253. В исследуемом диапазоне давлений, поглощаемой мощностиВЧ разряда и плотности лазерного излучения, показатель преломления и коэффициентпропускания у пленок, выращенных методом PA-PLD выше, чем у пленок, выращенныхметодом PLD. Возможно, улучшение оптических характеристик связано с исключениечастиц из пленок и увеличением процентного содержания кислорода. Характер измененияпоказателя преломления от длины волны для пленок, выращенных методами PLD и PAявляетсяPLD,различным.Возможно,этообъясняетсяизменениемихкристаллографической структуры под действием плазмы ВЧ разряда.Использование плазмы ВЧ разряда при расположении подложки на ВЧ-электродепозволяет, во-первых, выращивать пленки при более низких давлениях кислорода безпотери его стехиометрического содержания, во-вторых, увеличить скорость осажденияпленок (рис.
254). Без использования плазмы ВЧ-разряда для достижения требуемойстехиометрии пленок TiO2 необходимо увеличить давление кислорода до 10-2 Тор. Какпоказывает химический анализ пленок на содержание кислорода, ту же самуюстехиометрию пленок можно получить методом PA-PLD при меньшем давлениикислорода.
В ВЧ разряде атомные и молекулярные ионы кислорода активируютповерхность подложки, что, по-видимому, заметно повышает содержание кислорода впленке.Таким образом, частицы, образованные в результате взаимодействия лазерногоизлучения с мишенями частично устраняются при использовании ВЧ разряда.Противоположная ситуация возникает в ВЧ разряде, в котором, напротив, наблюдается445образование кремниевых частиц в объеме плазмы. Последующий раздел посвященописанию этого явления.Рис.255. Схема экспериментальной установки: 1- диодная линейка (OMA); 2 гелий-неоновый ( He Ne ) лазер; 3 - нейтральный фильтр; 4 - поляризатор; 5 - зеркало; 6 фотокамера; 7 - высоковольтный электрод; 8 - заземленный электрод; 9 - оптическийделитель; 10 - окно наблюдения; 11 - линза; 12 - световолокно; 13 - напуск газовой смеси;14 - откачка газа; 15 - расходомер; 16 - согласующее устройство; 17- источник питания ВЧразряда; 18 - измеритель падающей мощности; 19 - монохроматор; 20 - контроллер икомпьютер; 21 - опорный и сигнальный каналы для измерения ослабления интенсивностилазерного излучения ВЧ разрядом; 22 - канал для измерения интенсивности рассеянноголазерного излучения ВЧ разряда; 23 - канал для визуального наблюдения ифотографирования; 24 - ВЧ разряд.5.3.
Образование наночастиц кремния в ВЧ разрядеВЧ разряды (13.56 MГц) в смесях SiF4 H 2 и SiH 4 H 2 широко используются вPECVD-процессах (plasma enhanced chemical vapor deposition processes) для осажденияаморфных кремниевых пленок [2003–2020]. Образование частиц в ВЧ-разрядах создает446серьезные трудности при нанесении тонких пленок и покрытий [2003-2006], ионномплазменном травлении материалов [2007, 2008], модификации поверхностей и реактивномионном плазменном распылении [2009]. Авторы [2010] предложили использовать этоявление для альтернативного применения - получения наноматериалов.Значительные усилия затрачены на исследование механизмов образованиякремниевых частиц и для их обоснования предложен ряд гипотез [2006, 2007, 2011, 2012].В ряде экспериментальных и теоретических работ [2013 – 2019] особое вниманиеуделялось источникам (кластерам), ответственным за образование частиц в установкахдля выращивания кремниевых пленок.В [2013] установлено, что основную роль в кинетике образования кластеров играютнейтральные компоненты НТП с участием нейтральных радикалов Sin H m n 5 .Сдругой стороны, согласно данным работы [2014], существенную роль в зарождениичастиц играют ионы Sin H m .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
