Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами




Скачать 355.93 Kb.
НазваниеФизико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами
страница1/3
Дата конвертации06.04.2013
Размер355.93 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3
На правах рукописи


Юдина Алёна Владимировна


ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В НЕРАВНОВЕСНОЙ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ СМЕСЕЙ HCl С

ИНЕРТНЫМИ (Ar, He) И МОЛЕКУЛЯРНЫМИ (H2, Cl2) ГАЗАМИ


02.00.04 – Физическая химия


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук


Иваново 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет».


Научный руководитель:


доктор химических наук, профессор

Ефремов Александр Михайлович







Официальные оппоненты:



доктор физико-математических наук, доцент

Руденко Константин Васильевич (Физико-технологический институт РАН, ведущий научный сотрудник)


доктор химических наук, профессор

Гиричев Георгий Васильевич (Ивановский государственный химико-технологический университет, заведующий кафедрой физики)



Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина» (г. Иваново)




Защита состоится «28» мая 2012 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г–205.

Тел.: (4932) 32-54-33, факс: (4932) 32-54-33, e-mail: dissovet@isuct.ru


С диссертацией можно ознакомиться в Информационном центре Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.


Автореферат разослан «27» апреля 2012 г.



Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.063.06

e-mail: Egorova-D6@yandex.ru



Егорова Е.В.

Общая характеристика Работы


Актуальность темы. Низкотемпературная газоразрядная плазма галогенводородов, в том числе и HCl, нашла применение в технологии микро– и наноэлектроники при проведении процессов очистки и размерного травления поверхности полупроводниковых пластин и функциональных слоев интегральных микросхем. Преимуществами HCl по сравнению с другими хлорсодержащими газами (фреонами CFxCly, BCl3, CCl4, Cl2) являются: 1) отсутствие высаживания твердых продуктов плазмохимических реакций на поверхностях, контактирующих с плазмой, и 2) лучшие показатели чистоты, анизотропии и селективности процесса за счет низких концентраций атомарного хлора и химических реакций атомов водорода.

В последнее время, в технологии плазменного травления большое распространение получили бинарные (двухкомпонентные) газовые смеси, в которых активный газ совмещается с инертным (Ar, He) или молекулярным (H2, O2, N2) газом. Достигаемые при этом технологические эффекты заключаются в стабилизации плазмы, особенно в области низких давлений, защите откачных средств и повышению экологической чистоты производства за счет снижения токсичных компонентов в отходящих газах плазмохимических установок, а также в возможности гибкого регулирования параметров плазмы и концентраций активных частиц при варьировании начального состава плазмообразующей смеси. В опубликованных ранее работах было показано, что Ar и He в смесях с Cl2, BCl3 или HBr, а также H2, N2 и O2 в смесях с Cl2 и HBr не являются инертными разбавителями, но оказывают заметное влияние на кинетику плазмохимических процессов через изменение электрофизических параметров (приведенной напряженности электрического поля, средней энергии и концентрации электронов) плазмы. Исследования такого рода для плазмы HCl не проводились. Это обуславливает отсутствие информации по механизмам физико-химических процессов, формирующих стационарные параметры и состав плазмы в смесях HCl с инертными и молекулярными газами и, как следствие, трудности в разработке и оптимизации технологических процессов на основе таких систем.

Цель работы. Анализ кинетики и механизмов физико-химических процессов, формирующих стационарные параметры и состав плазмы смесей HCl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H2, Cl2) газами. Работы проводились по следующим основным направлениям:

  1. Экспериментальное исследование параметров плазмы (температура газа, приведенная напряженность электрического поля).

  2. Формирование и анализ кинетических схем (наборов реакций, сечений и констант скоростей), обеспечивающих корректное описание кинетики процессов образования и гибели нейтральных и заряженных частиц.

  3. Математическое моделирование плазмы, включающее расчеты функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), интегральных характеристик электронного газа, коэффициентов скоростей процессов при электронном ударе, концентраций и плотностей потоков активных частиц на поверхность, ограничивающую зону плазмы.

Научная новизна работы. При выполнении работы были получены следующие новые данные и результаты:

  1. Впервые предложены полные кинетические схемы (наборы реакций, сечений и констант скоростей), обеспечивающие корректное описание электрофизических параметров и состава плазмы бинарных смесей HCl-Ar, He, H2, Cl2.

  2. Подтверждено, что в условиях тлеющего разряда постоянного тока ( = 15–35 мА, = 40–200 Па) плазма HCl обладает следующими особенностями: а) определяющая роль в формировании концентраций нейтральных частиц принадлежит атомно-молекулярными процессам; б) диссоциативное прилипание к HClV>0 не оказывает принципиального влияния на кинетику образования-гибели заряженных частиц.

  3. Впервые проведено детальное исследование электрофизических параметров плазмы бинарных смесей HCl-Ar, He, H2, Cl2. Установлено, что варьирование начального состава смесей вызывает заметную деформацию ФРЭЭ, изменение интегральных характеристик электронного газа и констант скоростей процессов при электронном ударе. Показано, что отсутствие корреляции между изменением и средней энергией электронов связано с неаддитивным перераспределением каналов потери энергии электронов в неупругих соударениях.

  4. Впервые проведено детальное исследование кинетики процессов образования-гибели заряженных частиц в плазме бинарных смесей HCl-Ar, He, H2, Cl2. Найдено, что разбавление HCl инертным газом сопровождается более резкими (по сравнению с другими смесями) изменениями частот гетерогенной гибели и концентраций электронов. Показано, что только в смесях HCl-Ar, He имеет место увеличение плотности потока ионов на поверхность, контактирующую с плазмой.

  5. Впервые проведено детальное исследование кинетики процессов образования-гибели нейтральных частиц в плазме бинарных смесей HCl-Ar, He, H2, Cl2. Установлено, что рост степеней диссоциации HCl в смесях с Ar и He обусловлен ростом эффективности диссоциации электронным ударом, при этом вкладом ступенчатой диссоциации при взаимодействии с метастабильными атомами инертных газов можно пренебречь. Найдено, что разбавление HCl водородом не сопровождается принципиальными изменениями эффективностей атомно-молекулярных процессов. Показано, что при разбавлении HCl хлором концентрация атомов хлора возрастает, при этом влияние атомно-молекулярных процессов является заметным лишь при 0–20% Cl2 в исходной смеси.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в ходе данных исследований, могут быть использованы для разработки и оптимизации процессов плазмохимического травления, а также для анализа механизмов и при построении моделей физико-химических процессов в неравновесной низкотемпературной плазме чистого HCl и смесей на его основе.

Личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре «Технология приборов и материалов электронной техники» (ТП и МЭТ) ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет». Весь объем результатов моделирования плазмы получен лично автором. Автор также принимал участие в формировании наборов исходных данных для моделирования и в адаптации разработанных ранее на кафедре ТП и МЭТ алгоритмов моделирования плазмы для выбранных объектов исследований.

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались на Всероссийской молодежной конференции «Успехи химической физики» (Черноголовка, 2011), Всероссийской (с международным участием) конференции по физике низкотемпературной плазмы «ФНТП-2011» (Петрозаводск, 2011), VI Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии ISTAPC-2011 (Иваново, 2011). Всего сделано 4 доклада.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 статьи в журналах Перечня ВАК, 6 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованных литературных источников. Общий объем диссертации составляет 112 страниц, включая 72 рисунка и 23 таблицы. Список использованных источников содержит 110 наименований.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность работы и выбор объектов исследования, сформулированы основные задачи, научная новизна и цели работы.

Первая глава представляет обзор литературных данных по теме исследований. Рассмотрены основные свойства неравновесной низкотемпературной газоразрядной плазмы и вопросы ее применения в технологии микро- и наноэлектроники. Обобщены данные по кинетике и механизмам взаимодействия галогенсодержащей плазмы с металлами и полупроводниками. Проведен анализ данных по кинетике и механизмам плазмохимических процессов в хлористом водороде. Рассмотрены эффекты влияния добавок инертных или молекулярных газов на параметры плазмы и характеристики плазменного травления с помощью галогенсодержащих газов, в том числе – галогенводородов.

Результаты анализа литературных данных могут быть обобщены в виде следующих положений:

  1. Хлористый водород является перспективным газом для плазменного травления и очистки поверхностей в технологии изделий микро- и наноэлектроники. Основными преимуществами HCl являются отсутствие полимеризационных явлений, высокая анизотропия травления и чистота процесса.

  2. Для плазмы чистого HCl сформирована кинетическая схема (набор реакций, сечений и кинетических коэффициентов), обеспечивающая хорошее согласие результатов моделирования и эксперимента для условий тлеющего разряда постоянного тока. Проведен подробный анализ механизмов влияния внешних параметров разряда на внутренние электрофизические параметры (ФРЭЭ, средняя энергия и концентрация электронов) и состав плазмы.

  3. В технологии плазменного травления большое распространение получили бинарные газовые смеси, состоящие из галогенсодержащего газа с инертной или молекулярной добавкой. Наряду с внешними параметрами разряда (давление и расход газа, вкладываемая мощность), начальный состав смеси представляет эффективный механизм регулирования конечного эффекта обработки поверхности.

  4. Установлено, что для смесей на основе Cl2, BCl3 и HBr варьирование содержания инертной (Ar, He) или молекулярной (N2, O2, H2) добавки при постоянных внешних параметрах разряда сопровождается существенными изменениями электрофизических параметров плазмы и кинетики процессов при электронном ударе. Исследования таких эффектов для плазмы смесей HCl с инертными и молекулярными газами отсутствуют. Это делает невозможным установление взаимосвязей между внешними параметрами плазмы, ее внутренними характеристиками и составом и, как следствие, затрудняет разработку и оптимизацию технологических процессов с использованием плазмы HCl.

С учетом вышесказанного и была сформулирована цель диссертационной работы.

Во втором разделе приводится описание методик экспериментального исследования и моделирования плазмы смесей HCl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H2, Cl2) газами.

Для экспериментального исследования параметров плазмы тлеющего разряда постоянного тока использовалась проточный цилиндрический плазмохимический реактор (радиус = 0.9 см, длина зоны разряда = 40 см), изготовленный из молибденового стекла С-49. В качестве внешних (задаваемых) параметров плазмы выступали ток разряда = 15–35 мА, общее давление = 40–200 Па, объемный расход газа = 2–8 см3/с (н. у.) и начальный состав плазмообразующей смеси, задаваемый парциальными давлениями компонентов. Зондовая диагностика плазмы обеспечивала данные по осевой напряженности электрического поля (, двойной зонд Лангмюра) и плотности потоков ионов на стенку (, плоский стеночный зонд). Для определения температуры газа () решалось уравнение теплового баланса цилиндрического разрядника при в условиях естественного охлаждения с использованием экспериментальных данных по температуре наружной стенки реактора.

Моделирование плазмы проводилось в пятикомпонентном приближении по нейтральным невозбужденным частицам (HCl/H/Cl/H2/Cl2) для чистого HCl и смесей HCl-Cl2 и HCl-H2. Для смесей HCl с инертными газами использовалось шестикомпонентное приближение (HCl/H/Cl/H2/Cl2/Х, где Х = Ar или He). Алгоритм моделирования базировался на совместном решении следующих уравнений:

  1. Стационарного кинетического уравнения Больцмана без учета электрон-электронных соударений и столкновений второго рода. Решение проводилось с помощью конечно-разностной консервативной схемы, точность расчета контролировалась по выполнению баланса энергии электронов.

  2. Уравнения электропроводности плазмы , где – подвижности частиц, – скорость дрейфа, – средние по объему концентрации.

  3. Уравнений химической кинетики нейтральных невозбужденных частиц и ионов в квазистационарном ( = 0) приближении. , где и – средние скорости образования и гибели данного сорта частиц в объеме плазмы, а – частота гетерогенной гибели. Частоты гетерогенной гибели атомов определялись в предположении о первом кинетическом порядке рекомбинации (механизм Или-Ридила). В расчетах были использованы литературные данные по вероятностям рекомбинации -5и -4, измеренные в плазме чистых H2 и Cl2.

  4. Уравнения химической кинетики HClV=1 в квазистационарном приближении. Полагалось, что образование HClV=1 происходит только в процессах электронного удара, а гибель – гетерогенно, электронным ударом и в V-T процессах. Величины эффективной колебательной температуры и концентрации HClV>1 оценивались в предположении о больцмановском распределении молекул HCl по уровням колебательной энергии.

  5. Условия квазинейтральности для концентраций объемных концентраций заряженных частиц и равенства плотностей их потоков на поверхность, ограничивающую зону плазмы

  6. Кинетического уравнения образования и гибели электронов в приближении эффективного коэффициента диффузии Выполнение баланса электронов определяло величину приведенной напряженности поля (где – общая концентрация частиц), обеспечивающую поддержание стационарного состояния плазмы.

Выходными параметрами модели служили стационарные значения , ФРЭЭ, интегральные характеристики электронного газа (средняя энергия , скорость дрейфа , приведенные коэффициент диффузии и подвижность), константы скоростей элементарных процессов, а также средние по объему плазмы концентрации частиц и их потоки на поверхность, контактирующую с плазмой.

  1   2   3

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconКраткая справка о полученных в омэ результатах ( 2001 г.) Госбюджетные темы
Исследование объемных и поверхностных процессов в неравновесной низкотемпературной плазме.” Научный руководитель зав. Омэ, проф....

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconФизико- химические процессы в плазме наносекундных свч разрядов
Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconРабочая учебная программа по дисциплине: Физико-химические процессы в газоразрядной плазме по направлению
Самостоятельные занятия (работа над коллективными и индивидуальными проектами, курсовые работы)

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconТрудов «Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов»
РФ, профессора, доктора физико-математических наук Щербакова Леонида Михайловича (1919-2002), специалиста в области термодинамики...

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconПрограмма дисциплины «Физико-химические процессы получения функциональных твердофазных неорганических материалов»
Программа дисциплины «Физико-химические процессы получения функциональных твердофазных неорганических материалов» составлена в соответствии...

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconИсследование механизмов формирования газовой пористости пенобетонных смесей при их изготовлении
Серия «Физико-химические проблемы строительного материаловедения», выпуск №1, 2008

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами icon1. Общие свойства Низкотемпературной плазмы
Поскольку кулоновское взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами,...

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconНедели семестра
Основные физико-химические процессы взаимодействия загрязненных стоков, подземных вод и пород

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconИсследование физико-химических процессов, протекающих
Вика – Тв органопластиков. Показано, что физико-химические процессы, протекающие на границе раздела фаз полимерная матрица – волокнистый...

Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме смесей hcl с инертными (Ar, He) и молекулярными (H 2, Cl 2 ) газами iconРабочая программа учебной дисциплины «физико-химические процессы в оборудовании аэс»
Целью дисциплины является изучение основных и сопутствующих физико-химических процессах в оборудовании аэс, технологических методов...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница