Диссертация (1097947), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Авторы ряда работ [2015–2018] высказали предположение,что существенную роль в зарождении частиц играют отрицательные ионы.Таким образом, исследования образования кластеров в ВЧ разрядах (13.56 MГц) всмесях SiH 4 H 2 остаются не завершенными и представляют значительный интерес. Вдиссертации задача об образовании кластеров в ВЧ разряде в смесях SiF4 H 2 решаетсявпервые.Эксперименты выполнены, автором диссертации, на установке лабораторииинститута IMIP-CNR (Istituto di Metodologie Inorganiche e dei Plasmi, Consiglio Nazionaledelle Ricerche) и университета (Dipartimento di Fisica/INFN Sezione di Bari, University ofBari) г.
Бари (Италия). Для исследования образования частиц в ВЧ-разряде в смеси газовSiF4 H 2 и SiH 4 H 2 автором диссертации развиты методы лазерного рассеяния ипоглощения света частицами [381, 2006, 2021, 2022].На рис. 255 приведена схема экспериментальной установки [2018–2020]. Онасостоит из реактора ВЧ разряда для создания плазмы в смесях SiF4 H 2 и SiH 4 H 2 ,вакуумной системы, гелий-неонового ( He Ne ) лазера, оптических элементов дляфокусировки и изменения направления лазерного пучка, детекторов лазерного излучения.Реактор имеет цилиндрическую геометрию и изготовлен из нержавеющей стали.ВЧ разряд емкостного типа возбуждался между двумя плоским электродами диаметром10 см, помещенных на расстоянии 3 см. Верхний электрод заземлен.
К нижнему электродучерез согласующее устройство подводилось напряжение от ВЧ генератора (13.56 MГц),ВЧ мощность варьировалась от 20 до 60 Вт. Температура верхнего электрода измеряласьтермопарой и слабо отличалась от комнатной температуры. Напуск газов осуществлялся447через систему расходомеров. Давление в реакторе регулировалось натекателем вдиапазоне от 0.2 Тор до 3.5 Тор.
Суммарные объемные расходы для смесей газовSiF4 H 2 и SiH 4 H 2 варьировались от 10 до 40 станд. см3/с, парциальные расходы SiH 4и H 2 составляли 2 станд. см3/с и 18 станд. см3/с, соответственно, в смеси SiH 4 H 2 ;парциальные расходы SiF4 и H 2 - 16 станд. см3/с и 4 станд. см3/с, соответственно, в смесиSiF4 H 2 .Для измерений интенсивности рассеянного и ослабленного ВЧ разряда излученийHe Ne лазера (632.8 нм), использовались: монохроматор с голографической решеткой2400 штр./мм; контроллер для поворота дифракционной решетки шаговым двигателем;детекторы излучения – калориметр и оптический многоканальный анализатор (ОМА) сдиодной линейкой (1024 пиксел).
При измерениях интенсивности излучения He Neлазера лазерный луч проходил через разряд параллельно электродам на расстояниях от 3до 20 мм от заземленного электрода, где как, предполагалось, происходит интенсивноеобразование частиц. Направление падающего лазерного излучения совпадало снаправлением газового потока. Для определения размеров R и концентрации N частициспользовались методы рассеяния света, основанные на теории Лоренца-Мие, подробноеописание которых приведено в [381, 2006, 2021, 2022].Заземленный электродАпертура лазерногоизлучения 3 смНаправлениепотока газаРаспространениелазерного излученияОбласть рассеяниялазерного излученияплазмой ВЧ –разрядаВысоковольтный электродРис.256.
Фотография, иллюстрирующая рассеяние лазерного излучения частицамиплазмы в смеси SiH 4 H 2 при давлении 1.5 Тор и ВЧ мощности 20 Вт. Объемный расходгаза 10 станд. см3/мин, апертура пучка лазера 3 см, направление распространениялазерного излучения совпадает с направлением движения газа (справа налево).448Рис.257.Фотография,иллюстрирующаяЗаземленный электродрассеяниелазерного излучения частицамиАпертура лазерногоизлучения 4 ммплазмы в смеси SiF4 H 2 придавлении 3.5 Тор. ПодводимаяНаправлениепотока газаРаспространениелазерного излученияОбласть рассеяниялазерного излученияплазмой ВЧ – разрядамощность 20 Вт, апертура пучкалазера равна 4 мм, направлениераспространенияВысоковольтный электродлазерногоизлучениясовпадаетснаправлениемдвижениягаза(справа налево).(а)(б)Рис.258. Измеренные значения R - а) и N - б) в ВЧ разряде в смеси SiH 4 H 2 придавлении 1.5 Тор.(а)(б)Рис.259.
Измеренные значения R - а) и N - б) в ВЧ разряде в смеси SiH 4 H 2 придавлении 3.5 Тор.449В результате исследований установлено, что начало образования частиц в ВЧразряде в SiF4 H 2 и SiH 4 H 2 происходит не ранее чем через 3 с после включенияразряда. Процесс образования частиц оказывается чувствительным к полному давлениюсмеси газов. Данное наблюдение совпадает с результатами [2013, 2023]. Длярассматриваемых условий, образование частиц не наблюдалось при давлениях, меньших0.5 Тор. При более высоких давлениях образование частиц наблюдалось визуально (рис.256 и 257). Распределение интенсивности рассеянного лазерного излучения частицамиоднородно по сечению разрядной камеры в смеси газов SiH 4 H 2 (рис.
256), в то времякак, в смеси газов SiF4 H 2 наблюдаются отдельные области рассеивания излучения, илокализованное вблизи заземленного электрода (рис. 257). В смесях SiH 4 H 2 и SiF4 H 2образование частиц исследовалось в интервале времен 3–40 с на расстоянии 3 мм отзаземленного электрода. Для больших времен, как показано авторами [2004],использование теории Лоренца-Мие не справедливо для обработки экспериментальныхданных. Рис. 258 и 259 показывают результаты измерений радиуса R и концентрациичастиц N в зависимости от времени в ВЧ разряде в смеси газов SiH 4 H 2 (длясоотношения расходов 2:18 станд. см3/с) при давлении 1.5 и 3.5 Тор, соответственно.Концентрация частиц сильно зависит от давления смеси.
С увеличением давления от 1.5до 3.5 Тор концентрация частиц уменьшается на два порядка, а радиус частицувеличивается ~ в 4 раза. При давлении 1.5 Тор, радиус и концентрация частиц достигаютстационарных значений 70 нм и 7·107 см-3, соответственно, а при давлении 3.5 Тор радиусчастиц увеличивается до 300 нм и концентрация уменьшается до величины 5·105 см-3.Измеренные значения R и Nв смеси газов SiH 4 H 2 находятся в согласии срезультатами их измерений методом лазерного рассеяния и ослабления в [2004, 2006,2010].
Сильная зависимость скорости образования частиц от давления подтверждаетвывод, что газофазная нуклеация является доминирующим механизмом их образования всмеси газов SiH 4 H 2 . Кинетика образования частиц в смеси газов SiH 4 H 2 сходна скинетикой образования частиц в чистом SiH 4 в [2010] и смесях SiH 4 Ar [2004]. Каквидно на рис. 259, существуют два временных интервала с различной кинетикойобразования частиц: начальный этап агломерации частиц ( t 20 с) сопровождаетсячередованием резкого и слабого уменьшения плотности частиц во времени; напоследующем этапе ( t 20 с) их плотность слабо уменьшается.
На всех этапахнаблюдается увеличение размера частиц.Двухстадийный процесс образования частиц с участием кластеров Sin H x , а также450ионов с последующей агломерацией является причиной сильного уменьшения плотностичастиц на начальном этапе агломерации частиц. На этом этапе осаждения частиц слабоеуменьшение плотности частиц происходит в результате поверхностных процессовосаждения с участием радикалов SiH x (x=1-4) и процессов выноса частиц из плазмы ВЧразряда. Рис. 259 требует тщательного анализа, поскольку изменение R и N носитсложный характер - с увеличением давления и наблюдается две области с резкимуменьшением измеренных значений плотности частиц на временах 5 с и 19 с, которыесвидетельствуют о двух последовательных фазах агломерации. Первая фаза соответствуетагломерации частиц с последующим их осаждением. При увеличении давления оназавершается на временах 19 с, меньших, чем это наблюдается при низких давлениях.
Принизком давлении осаждение частиц наблюдается вплоть до 40 с.(а)(б)Рис.260.Измеренные значения R - а) и N - б) в ВЧ разряде в смеси SiF4 H 2 придавлении 1.5 Тор.(а)(б)Рис.261 Измеренные значения R - а) и N - б) в ВЧ разряде в смеси SiF4 H 2 придавлении 3.5 Тор.451Второй резкий спад плотности частиц при давлении 3.5 Тор выражает вторую фазуагломерации частиц, которая происходит с участием частиц размером не менее 60 нм ипри более низких концентрациях 108 см-3. Другими словами, профили R и Nнаблюдаемые на временах до 19 с повторяются на временном интервале 20–40 с.Подобное изменение R и N на больших временах образования частиц описано в [20062024]. Согласно [2006], это явление соответствует второй фазе агломерации частиц, в товремя согласно [2024], оно объясняется пространственным разделением частиц поразмерам.
Сравнение данных рис. 258 и 259 показывает, что скорость агломерации впервой фазе приблизительно 5–6 нм/с при давлениях 1.5–3.5 Тор. Вторая фазаагломерации наблюдается только при давлении 3.5 Тор и скорости агломерации 38 нм/с.На рис.260 и 261 приведена временная эволюция значений R и N в ВЧ разряде всмесях газов SiF4 H 2 при полном давлении 1.5 и 3.5 Тор. В этих экспериментахпарциальное давление SiF4 в восемь раз выше, чем парциальное давления SiH 4 из-занизкого содержания водорода. В ВЧ разрядах в смесях газов SiF4 H 2 кинетикаобразования частиц сходна с кинетикой образования частиц в смеси газов SiH 4 H 2 придавлении 1.5 Тор [2019, 2020], несмотря на высокое парциальное давление SiF4 .
Сходствосвидетельствует о том, что ступенчатый процесс образования частиц в смеси газовSiH 4 H 2 справедлив и для плазмы в смесях газов SiF4 H 2 , с той лишь разницей, чтовременная зависимость значений R и N аналогична при разных давлениях. При высокихдавлениях вторая фаза агломерации частиц плазмы не наблюдается. После первой фазыагломерации плотность частиц достигает величины 4·106 см-3, что на много ниже, чем всмеси газов SiH 4 H 2 - 2·108 см-3. Это, возможно, связано с большой скоростьюагломерации частиц (14 нм/с и 34 нм/с), наблюдаемой при давлениях 1.5 Тор и 3.5 Тор посравнению с её значением (5 и 6 нм/с), измеренным в смеси газов SiH 4 H 2 . Выборсоотношения расходов компонент смеси газов SiF4 H 2 ( SiF4 : H 2 =4:16) обусловленобеспечением условий в плазме, при которых отсутствуют частицы и осаждаются пленкивысокого качества.
Максимальное значение плотности частиц в смеси газов SiF4 H 2наблюдается при соотношении компонент SiF4 : H 2 =16:4 и является следствием высокойплотности радикалов SiFx , а не высокого значения полного давления. Первое заметнозависит от содержания водорода [2024]. При варьировании соотношения компонент SiF4и H 2 изменяется механизм образования частиц в ВЧ-разряде. Подобный эффектнаблюдался в ВЧ-разрядах в смесях C2 F4 O2 , C2 F4 Ar , C2 F4 H 2 , SiH 4 Ar , SiH 4 H 2452и SiH 4 He при изменении соотношений концентраций компонент C2 F4 , Ar , O2 , H 2[450] и SiH 4 , Ar , He и H 2 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
