Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634794)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Прикладная механика и техническая физика

Прикладная механика и техническая физика №1 2007 (352,00 руб.)

0   0
Страниц170
ID200361
АннотацияЖурнал публикует оригинальные статьи и заказные обзоры по механике жидкости, газа, плазмы, динамике многофазных сред, физике и механике взрывных процессов, электрическому разряду, ударным волнам, состоянию и движению вещества при сверхвысоких параметрах, теплофизике, механике деформируемого твердого тела, композитным материалам, методам диагностики газодинамических физико-химических процессов.
Прикладная механика и техническая физика : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2007 .— №1 .— 170 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/200361 (дата обращения: 25.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090 Новосибирск E-mail: khmel@itp.nsc.ru Представлены результаты зондовых измерений температуры, концентрации, функции распределения по энергиям электронов и потенциала плазмы в свободной струе газа, активированной в электронно-пучковой плазме, и в плоском реакторе. <...> Ключевые слова: зондовая диагностика, электронно-пучковая плазма, плазмохимическое осаждение тонких пленок кремния. <...> Установлено, что при увеличении давления в электронно-пучковой плазме температура понижается, а концентрация растет. <...> Измерения, проведенные в аргоновой электронно-пучковой плазме [10], показали, что температура электронов составляет около 1 эВ, концентрация — 5 · 1016 ÷ 5 · 1017 м−3 , потенциал плазмы приближенно равен 4 В. <...> В работе [12] с помощью подогреваемых зондов установлено, что при увеличе- 4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. <...> В данной работе проведены исследования в свободных струях смесей гелий — аргон и гелий — аргон — моносилан, активированных в электронно-пучковой плазме, и в потоке газа внутри плоского реактора. <...> Пленки кремния осаждались в плоском реакторе (см. рис. <...> В эксперименте измерялись температура и концентрация электронов в свободной струе и плоском реакторе на фиксированном расстоянии от среза сопла при изменении расхода и состава газа для неизменного тока пучка, а также при изменении тока для неизменных расхода и состава газа. <...> 2 приведены зависимости электронной температуры и концентрации от расхода (давления) аргона, полученные с помощью двойного зонда в гелий-аргоновой электронно-пучковой плазме на расстоянии 150 мм от среза сопла в свободной струе и на расстоянии 80 мм — в реакторе (E = 0,6 кэВ, I = 170 мА). <...> С увеличением расхода аргона температура электронов падает, что может быть обусловлено рассеиванием и деградацией электронного пучка вблизи среза сопла. <...> Согласно оценке длина свободного пробега электронов вблизи среза сопла при увеличении расхода аргона уменьшается до 1 мм <...>
Прикладная_механика_и_техническая_физика_№1_2007.pdf
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2007. Т. 48, NУДК 533.9:621.039.66, 539.23+546.28 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ ГАЗОВ, АКТИВИРОВАННЫХ В ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЕ В. О. Константинов, С. Я. Хмель Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090 Новосибирск E-mail: khmel@itp.nsc.ru Представлены результаты зондовых измерений температуры, концентрации, функции распределения по энергиям электронов и потенциала плазмы в свободной струе газа, активированной в электронно-пучковой плазме, и в плоском реакторе. Измерения проводились с помощью одиночного, двойного и тройного электростатических зондов в струях газовых смесей гелий — аргон и гелий — аргон — моносилан. Последняя из названных смесей использовалась для осаждения пленок микрокристаллического и эпитаксиального кремния. Более качественные пленки микрокристаллического кремния получались в плотной (ne ≈ 1017 м−3) и холодной (Te ≈ 1,0 ч 0,5 эВ) плазме с низким потенциалом (Usp ≈ 10 В), в то время как для выращивания монокристаллических пленок кремния требовалась более горячая плазма (Te ≈ 3÷5 эВ) с потенциалом Usp ≈ 15 В. Ключевые слова: зондовая диагностика, электронно-пучковая плазма, плазмохимическое осаждение тонких пленок кремния. Введение. Для осаждения тонких пленок широко используются плазмохимические методы с активацией газообразных реагентов в плазме электрических разрядов или плазме электронного пучка [1, 2]. В частности, для осаждения пленок кремния применяется силановая плазма [3–5]. Исследование такой плазмы представляет собой актуальную задачу, причем одним из наиболее распространенных методов диагностики является зонд Ленгмюра [6–8]. По зондовой характеристике можно получить информацию о температуре электронов, их плотности, потенциале плазмы, а в общем случае — о функции распределения электронов по энергиям. Однако при использовании одиночного и двойного зондов невозможно определить мгновенные значения параметров плазмы (измерение и обработка вольт-амперной характеристики — достаточно длительная процедура). Эту информацию позволяет получить тройной зонд [8]. В работе [9] с использованием зондовой диагностики показано, что в электроннопучковой плазме азота температура и концентрация вторичных электронов составляют 0,5÷2,5 эВ и 1016÷1017 м−3 соответственно. Установлено, что при увеличении давления в электронно-пучковой плазме температура понижается, а концентрация растет. Измерения, проведенные в аргоновой электронно-пучковой плазме [10], показали, что температура электронов составляет около 1 эВ, концентрация — 5 · 1016÷5 · 1017 м−3, потенциал плазмы приближенно равен 4 В. Такая плазма оказывает мягкое, неразрушающее воздействие на поверхность и пригодна для обработки материалов и осаждения качественных тонких пленок [2]. Для осаждения эпитаксиальных слоев требуется более жесткая плазма, однако в этом случае принципиальной является величина потенциала плазмы [11]. В химически активной плазме поверхность зонда загрязняется растущими пленками, поэтому для проведения корректных измерений в такой плазме используют подогреваемые зонды [7]. В работе [12] с помощью подогреваемых зондов установлено, что при увеличе◦ 1 3
Стр.1
4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2007. Т. 48, N◦ 1 нии расхода моносилана или давления в разрядной камере температура и концентрация электронов снижаются. В данной работе проведены исследования в свободных струях смесей гелий — аргон и гелий — аргон — моносилан, активированных в электронно-пучковой плазме, и в потоке газа внутри плоского реактора. Целью данной работы является определение с помощью зондовой диагностики оптимальных параметров плазмы для осаждения пленок микрокристаллического и эпитаксиального кремния. Экспериментальная установка и методика эксперимента. Эксперименты проводились на газодинамической установке низкой плотности Института теплофизики СО РАН. Схема эксперимента приведена на рис. 1. В качестве генератора плазмы использовался струйный источник, состоящий из электронной пушки с плазменным катодом и двойного осесимметричного сверхзвукового кольцевого сопла [13]. Внешние диаметры сопел 28 и 18 мм, высота критического сечения 1 мм, зазор между пластинами реактора 35 мм. Через внешнее кольцевое сопло в вакуумную камеру подавалась смесь рабочих газов (аргона и моносилана), а через внутреннее — гелий, служивший для защиты электронной пушки. Расход газов контролировался расходомер-регуляторами фирмы “MKS Instruments”. Таким образом формировались струи газовых смесей гелий — аргон и гелий — аргон — моносилан. Давление в вакуумной камере в зависимости от расхода газа поддерживалось на уровне 0,1 ч 1,5 Па. Дополнительный кольцевой электрод, установленный за соплом, служил для изменения энергии ионов. Пленки кремния осаждались в плоском реакторе (см. рис. 1). Для нахождения оптимальных условий осаждения пленок параметры системы изменялись в следующих диапазонах: энергия пучка E = 0,6÷2,0 кэВ, ток пучка I = 170÷400 мА, расход аргона GAr = 0÷12 н. л/мин, расход моносилана GSiH4 = 0÷0,2 н. л/мин (н. л — нормальный литр, т. е. литр газа при нормальных условиях: T = 273 K, p = 101 325 Па). В данной работе использовались одиночный, двойной, двойной подогреваемый, тройной и тройной подогреваемый вольфрамовые зонды диаметром 0,15÷0,35 мм и длиной 4÷15 мм. Зонд крепился на двухкомпонентном координатном механизме на 5 мм ниже оси пучка во избежание возможного повреждения в результате воздействия электронного пучка. В эксперименте измерялись температура и концентрация электронов в свободной струе и плоском реакторе на фиксированном расстоянии от среза сопла при изменении расхода и состава газа для неизменного тока пучка, а также при изменении тока для неизменных расхода и состава газа. Кроме того, измерены поперечные профили температуры и концентрации 5 1 2 4 3 67 Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — электронная пушка с плазменным катодом; 2 — блок кольцевых сопел; 3 — зонд Ленгмюра; 4 — реактор; 5 — дополнительный кольцевой электрод; 6 — электронный пучок; 7 — струя газов; штриховые линии — границы струи
Стр.2
В. О. Константинов, С. Я. Хмель Te, эВ аб 1018 ne, ì-3 3 2 1 1 4 02 4 0 6 0,5 8 1,0 10 GAr, í. ë/ìèí 1,5 P, Па 2 3 1016 3 1017 4 2 1 3 5 02 4 0 6 0,5 8 1,0 10 GAr, í. ë/ìèí 1,5 P, Па Рис. 2. Зависимости температуры (а) и концентрации (б) электронов от расхода (давления) газа: 1–3 — данные настоящей работы: 1 — свободная струя, 2 — реактор, 3 — реактор (GSiH4 = 0,2 н. л/мин); 4 — данные работы [9] электронов. В некоторых экспериментах зонд Ленгмюра использовался для измерения или оценки потенциала плазмы и функции распределения электронов по энергиям [6]. Результаты эксперимента и их обсуждение. На рис. 2 приведены зависимости электронной температуры и концентрации от расхода (давления) аргона, полученные с помощью двойного зонда в гелий-аргоновой электронно-пучковой плазме на расстоянии 150 мм от среза сопла в свободной струе и на расстоянии 80 мм—в реакторе (E = 0,6 кэВ, I = 170 мА). С увеличением расхода аргона температура электронов падает, что может быть обусловлено рассеиванием и деградацией электронного пучка вблизи среза сопла. Согласно оценке длина свободного пробега электронов вблизи среза сопла при увеличении расхода аргона уменьшается до 1 мм, и в результате столкновений они теряют свою энергию. Вероятно, при GAr ≈ 4 н. л/мин в свободной струе и при GAr ≈ 2 н. л/мин в реакторе электронный пучок почти полностью рассеивается и температура становится постоянной. Выход электронной температуры на постоянное значение в реакторе происходит раньше, чем в свободной струе. Это может быть обусловлено наличием ударной волны, образующейся в реакторе, что вызывает увеличение плотности и как следствие дополнительное рассеивание электронов. Такое поведение температуры, по-видимому, означает, что основная область ионизации расположена вблизи среза сопла. При увеличении расхода аргона концентрация электронов резко возрастает и при больших расходах имеет приблизительно одинаковые значения в свободной струе и в реакторе. На рис. 2 приведены также данные работы [9]. Так как в [9] измерения проводились в статических условиях в электронно-пучковой плазме в атмосфере азота, то сравнение результатов можно проводить, используя значения давления фонового газа. Причем сравнение с условиями в реакторе более корректно, так как на входе в него формируется ударная волна, поток становится дозвуковым и давление в нем близко к фоновому. На рис. 2,а видно, что температуры электронов хорошо согласуются. Это означает, что давление, а точнее, плотность газа является определяющим параметром для электронной температуры при условии, что расстояние до точки измерения велико по сравнению с длиной свободного пробега электро
Стр.3