Кинетика образования и гибели атомов хлора и его смесях с инертными и молекулярными газами Ситанов, Дмитрий Вячеславович

Введение к работе

Актуальность проблемы. На современном этапе развития науки резко возрос, интерес исследователей к процессам, инициируемом в плазме. Плазма имеет многочисленные области применения, в том числе связанные с травлением функциональных слоев изделий электронной техники. В качестве плазмообразуюших газов часто применяется хлор и его производные при травлении тугоплавких металлов, алюминия, сложных полупроводников, таких как арсенид галлия, фосфид индия, которые не травятся в традиционных для кремниевой технологии фторсодержащих газах. Кроме того, плазма хлора и его смесей в последние годы стала применяться и для травления кремния, когда необходима высокая степень анизотропии.

Известен экспериментальный факт, что при добавлении в зону разряда инертных газов скорость травления не только не уменьшается, как этого следовало бы ожидать при разбавлении хлора добавкой, а даже, в некоторых случаях, увеличивается. Это представляет значительный технологический интерес, так как позволяет снизить расход травителя, продлить срок службы откачных систем и частично решить проблему с утилизацией отходящих газов без существенных уменьшений скоростей травления. В настоящее, время механизм влияния добавок на скорость плазмохимического травления не изучен.

Поэтому вопросы, связанные с изучением кинетики и механизмов образования и гибели активных частиц в плазме хлора и его смесей с инертными и молекулярными добавками являются актуальными..

. Целью работы явилось изучение закономерностей образования и гибели атомов хлора в плазме тлеющего разряда пониженного давления в чистом хлоре и его смесях с аргоном, кислородом и азотом, а также обоснование возможности использования оптических методов для определения концентрации атомов хлора в плазме различного состава.

Научная новизна.

1. Впервые детально изучен спектр излучения хлора с добавками аргона, кислорода и азота, получены систематические данные о характере влияния условий разряда (тока,' давления, температуры, расхода газа, мощности, вкладываемой в разряд) на излучение положительного столба в хлоре и его смесях с инертнши и молеку-

- .2

лярными добавками.

2. Детально проработаны вопросы применимости методов абсорбционной спектроскопии и актинометрии для измерения концентрации атомов хлора при разряде в хлоре и его смесях с аргоном, кислородом, азотом. На основе экспериментальных данных показано, что для чистого хлора сохраняется прямопропорциональная зависимость между концентрацией и интенсивностью излучения атомов хлора и метод актинометрии для определения концентрации CL применим в широком диапазоне условий. В плазме переменного состава данные корреляции отсутствуют и метод актинометрии не работает.

3., Впервые показана принципиальная возможность использования внутренней актинометрии для измерения концентраций атомов и молекул хлора в разряде по отношению интенсивностей их излучения. Получены уравнения, связывающие отношения интенсивностей излучения атомов и молекул хлора и степени диссоциации CL?., определены условия их применения. Проведена абсолютная градуировка методики актинометрии с использованием данных по концентрациям атомов хлора, полученных методом абсорбционной спектроскопии.

1. С использованием указанных выше методик получены новые данные по степеням диссоциации молекул и концентрациям атомов и молекул при разряде в чистом хлоре,, на базе которых было проведено уточнение модели химических процессов в плазме хлора и выполнены расчеты коэффициентов скоростей и скоростей процессов образования и гибели атомов хлора.

2. Впервые экспериментально получены степени диссоциации молекул хлора в плазме CL-2 с добавками аргона, кислорода и азота в широком диапазоне изменения процентного содержания последних (от 0 до 90 об.%) и рассчитаны концентрации всех основных компонентов плазмы. Найдено, что концентрация атомов хлора в разряде остаётся постоянной вплоть до 40-70 %"^го разбавления CLj> (в зависимости от используемой добавки). При этом наибольший эффект дают аргон и кислород.

3. Впервые проведено численное моделирование плазмы хлора в смеси с кислородом и азотом на основе решения кинетического уравнения Больцмана и соответствующих балансных уравнений, а так же математическое моделирование плазмы хлор - аргон с использованием новых экспериментальных данных по концентрациям атомоЕ хлора и приведенным напряженностям электрического поля.

7. Выполнен анализ влияния электрофизических параметров плазмы на скорости диссоциации молекул хлора в разряде с добавками аргона, кислорода и азота. Выяснено, что уменьшение приведенной напряженности электрического поля и связанное с ним увеличение концентрации электронов при возрастании процентного содержания добавки приводит к увеличению скорости диссоциации молекул хлора, причем этот эффект наиболее существенен в смесях хлора с аргоном.

8. Проанализировали механизмы образования и гибели атомов хлора в разряде чистого СЬг и в смесях с азотом, кислородом и аргоном. В чистом хлоре основным каналом образования атомов является диссоциативное возбуждение низколежаших электронных состояний молекулы СЬг под действием электронного удара. В плазме с добавками кислорода и азота в диссоциации молекул хлора могут принимать участие метастабильные состояния (А³_и⁺) молекул Ог и N2, энергия которых превышает энергию разрыва связи молекулы СЬг- Вклад этого процесса в диссоциацию молекул хлора достигает 30%. Процессы с участием метастабильных состояний аргона малоэффективны и их вклад в диссоциацию СЬг не превышает 5Х.

9. Показано, что вклад колебательно-возбуждённых состояний азота в общую диссоциацию СЬг, Даже при значительных добавках N2 (70-90 об%), не превосходит 5%. В смесях хлор - кислород велика вероятность участия в диссоциации молекул СЬг атомов кислорода через образование промежуточных соединений типа CL0, являющихся своеобразными "переносчиками" атомов хлора. Вклад этого процесса в диссоциацию СЬг может достигать Z0-25X.

10. Апробирована релаксационная методика диагностики плазмы
хлора и получены кинетические кривые гетерогенной гибели атомов
хлора на стекле, из которых впервые экспериментально получен ко
эффициент гетерогенной рекомбинации атомов хлора на стекле не
посредственно в зоне разряда (11±3 с"¹).

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы в качестве исходных для дальнейших исследований в области изучения процессов гибели атомов хлора в плазме СЬг с различными инертными и молекулярными добавками, а также при оптимизации процессов и построении математических моделей плазмы различного состава. Результаты работы могут быть полезны при разработке технологии и систем контроля плазмохимического

.- 4 -

травления материалов в смесях хлора с инертными и молекулярными газами.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на научно-технической конференции "Плазмохи-мическая технология для изделий электронной техники" ( Киев 1993), научно-технической конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994), 11-м Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPC-95) (Иваново, 1995), 1-ой Региональной межвузовской конференции " Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования "Химия-96" (Иваново 1996), а так же на ежегодных научно-технических конференциях ИГХТА в 1993 - 1995 годах. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ:

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 206 страниц, рисунков - 60, таблиц - 20, Библиография включает 167 наименований.