Плазменные технологии в микроэлектронике. Часть 4. Определение энергии активации процесса плазмохимического травления (110,00 руб.)

Стр.1

Стр.3

Стр.6

Стр.7

Стр.8

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ Часть 4 Определение энергии активации процесса плазмохимического травления Учебно-методическое пособие для вузов Составители: И.В. Коняев, Ю.И. Дикарев, Л.Н. Владимирова Воронеж Издательский дом ВГУ 2014 1

Стр.1

СОДЕРЖАНИЕ Введение ................................................................................................................. 4 1. Теоретическая часть: кинетика химических процессов; механизм химической реакции ............................................................................ 4 1.1. Понятие скорости химической реакции .................................................. 6 1.2. Кинетическое уравнение и порядок реакции .......................................... 8 1.3. Влияние температуры на скорость химической реакции .................... 10 1.4. Экспериментальное определение энергии активации ......................... 13 2. Экспериментальная часть: порядок выполнения работы ........................... 16 Контрольные вопросы ........................................................................................ 19 Литература ........................................................................................................... 19 3

Стр.3

Химическая кинетика оперирует понятиями и определениями, которые позволяют надлежащим образом описать химическое превращение начальных веществ в продукты реакции. 1.1. Понятие скорости химической реакции Скоростью химической реакции называется изменение количества вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате протекания реакции, за единицу времени в единице объема системы. Таким образом, скоростью реакции называют изменение концентрации какого-нибудь вещества, участвующего в реакции, за единицу времени. Отсюда другое определение этого понятия: скоростью химической реакции называется изменение концентрации вступающего в реакцию реагента или продукта реакции в единицу времени: v = ± d .t dC i (1) Такое определение, однако, не может быть однозначным, так как в реакции принимают участие в качестве исходных и промежуточных веществ и в качестве продуктов реакции несколько веществ. Поэтому строго можно говорить не о скорости химического процесса вообще, а о скорости реакции по некоторому конкретному компоненту. Кинетический закон, или кинетическое уравнение реакции, связывает скорость реакции в любой момент времени с концентрациями всех веществ, от которых она зависит. Для прямой реакции вида v = ± [] = – d A dt А + В → P d B[ ] = dt dt dP = [][], k A B (2) где коэффициент пропорциональности k – константа скорости, которая зависит только от давления и температуры и представляет собой скорость реакции при концентрациях компонентов, равных единице. Константа скорости реакции не зависит от концентрации и характеризует влияние природы реагирующих веществ на скорость их взаимодействия друг с другом. Из этого следует, что она является мерой реакционной способности молекул. Для простых (одностадийных) реакций показатели степеней в кинетических уравнениях равны коэффициентам в стехиометрических уравнениях. Эта закономерность находит свое отражение в законе действующих масс, сформулированном в 1867 году норвежскими учеными К. Гульдбергом и 6

Стр.6

П. Вааге: скорость простой реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, имеющихся в данный момент времени, возведенных в степени, равные коэффициентам в стехиометрическом уравнении. Закон действующих масс является справедливым только для простых реакций. Таким образом, скорость реакции – это положительная величина, значение которой в любой момент времени определяется уравнением, устанавливающим взаимосвязь между скоростью реакции и концентрациями веществ, от которых она зависит. Скорость реакции можно рассчитать для любого момента времени, если известна константа скорости. Молекулярность элементарной реакции (т.е. реакции, протекающей в одну стадию) определяется числом частиц, вступающих во взаимодействие. В элементарной реакции может участвовать один ион (молекула) реагента или более (две или три частицы). В зависимости от этого реакцию называют мономолекулярной, бимолекулярной или тримолекулярной, при этом скорость реакции зависит от стехиометрии. Более всего в природе распространены бимолекулярные элементарные стадии, т.к. столкновение двух одинаковых или различных частиц происходит с большей вероятностью. Напротив, тримолекулярные реакции встречаются гораздо реже, т.к. одновременное столкновение трех частиц сравнительно маловероятно, а элементарные стадии более высокого порядка в настоящее время вообще не известны. Многие реакции являются результатом последовательных элементарных стадий с низкой молекулярностью. Самая медленная реакционная стадия определяет общую скорость реакции и называется лимитирующей. Гетерогенные реакции, протекающие в системах, состоящих из двух или более фаз, также весьма трудно описать при помощи простых математических выражений; такие реакции требуют специальных подходов в зависимости от характера участвующих в реакции фаз. Фазой называется гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. Особенности гетерогенной реакции обусловлены участием в них конденсированных фаз. Это затрудняет перемешивание и транспорт реагентов и продуктов; возможна активация молекул реагентов на поверхности раздела фаз. Кинетика любой гетерогенной реакции определяется как скоростью самого химического превращения, так и процессами переноса (диффузией), необходимыми для восполнения расхода реагирующих веществ и удаления продуктов из реакционной зоны. При гетерогенных реакциях с участием одного или нескольких твердых реагентов часто образуются твердофазные продукты. Такие реакции, 7

Стр.7

как правило, локализованы на поверхности раздела фаз или в поверхностном слое и обычно протекают нестационарно. Они характеризуются периодом индукции, в течение которого возникают зародыши (ядра) новой фазы. Их образование связано с перестройкой атомной структуры твердого реагента и требует затраты энергии. Такие реакции чувствительны ко всем нарушениям структуры, облегчающим образование зародышей, и могут быть активированы термическим, радиационным, механическим и другими воздействиями, увеличивающими концентрацию дефектов, в первую очередь – плотность дислокаций. Кинетическое уравнение реакции в этом случае отражает изменение во времени не только концентраций реагирующих веществ, но и поверхности раздела твердых фаз реагента и продукта. По мере роста зародышей поверхность раздела увеличивается и скорость реакции сначала возрастает, затем проходит через максимум и снижается вследствие соприкосновения растущих зародышей и образования сплошного слоя твердого продукта. Значительно сложнее обстоит дело при изучении особенностей и формально-кинетическом описании топохимических реакций. Такие реакции начинаются не во всём объёме сразу, а в отдельных, наиболее реакционноспособных областях твёрдого тела, т.е. имеет место автолокализация процесса. Зарождение процесса взаимодействия в некоторых локальных областях в дальнейшем сопровождается распространением реакции на соседние области кристалла. Чаще всего локализацию топохимического процесса обычно связывают с наличием дефектов в кристаллах, а также со сравнительно малой подвижностью ионов, атомов или молекул, образующих кристаллическую решётку. Автолокализация процесса обусловлена каталитическим влиянием твёрдого или газообразного продукта реакции, а также кристаллохимическими особенностями развития реакции в кристалле. Межфазовая поверхность, в пределах которой локализованы топохимические реакции, возникает вследствие образования и роста реакционных ядер; скорость процесса обычно пропорциональна величине этой поверхности в каждый данный момент времени. По этой причине кинетический анализ топохимических реакций включает не только учёт развития процесса во времени, но и его распространение в пространстве. Следовательно, вполне объяснимо влияние дефектов в кристаллах на скорость топохимической реакции. 1.2. Кинетическое уравнение и порядок реакции Молекулярность реакции не следует путать с порядком реакции, о котором расскажем подробнее. Итак, рассмотрим химическую реакцию n1А + n2В → m1С + m2D, для которой можно записать 8

Стр.8