Моделирование кинетических процессов в аргон-силановой высокочастотной плазме пониженного давления Ляхов Анатолий Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Плазмохимические способы получения материалов, осаждения покрытий и модификации поверхности — приоритетные направления современных плазменных технологий. Использование неравновесных газовых разрядов в плазмохимическом синтезе тонких пленок позволяет осуществить протекание эндотермических реакций с высокой скоростью при относительно низких температурах рабочего газа, и кроме того, обеспечивает удобные способы воздействия на активную среду с помощью переменных электромагнитных полей. Аморфный и микрокристаллический кремний -материалы, востребованные в современной микроэлектронике, часто получают путем разложения моносилана (кремневодорода) в высокочастотной газоразрядной плазме, в которой реализуются условия обеспечивающие получение пленок высокого качества. При этом продолжает оставаться острым вопрос о разработке эффективных систем осаждения, в которых достигаются высокие скорости роста пленок и высокая степень конверсии исходного газа, имеется возможность получения покрытий на подложках большой площади и др. Решение прикладных задач связанных с оптимизацией плазмохимического синтеза кремния невозможно без глубокого понимания процессов протекающих в разрядном объеме.

Силановой плазме присущи многие атрибуты химически-активной среды, существенно затрудняющие её экспериментальную диагностику — мно-гокомпонентность, многоканальность процессов трансформации энергии, большое количество реакций в газовой фазе, высокая активность реагентов. По этой причине при разработке плазмохимических систем осаждения кремниевых пленок большую роль играют методы математического моделирования. Они позволяют проводить расчеты многих параметров плазменных сред, что создает необходимую информационную основу для прототи-пирования конкретных технических решений.

в качестве дополнительного осложняющего фактора в изучении си-лансодержащей плазмы выступает наличие мелкодисперсных частиц конденсированной фазы (пыли), образующихся в результате реакций полимеризации рабочего газа. Присутствие пылевых частиц в плазмохимическом процессе оказывает влияние на кинетику продуктов разложения как прямым образом — путем участия частиц в химических реакциях, так и опосредованно, например, через изменение характеристик газового разряда — энергетического спектра электронной подсистемы, ионизационного равновесия и др. По этим причинам представляется важным при моделировании разрядов в смесях, подверженных полимеризации (силаны, метаны и др.), явно учитывать наличие частиц пыли. Это позволит оценить степень влияния таких частиц на кинетику электронов, а также получить более точные результаты о химическом составе плазмы.

Степень разработанности темы исследования

Для газоразрядных систем осаждения кремниевых пленок разработан целый ряд моделей (В.А. Швейгер, Ю.Е.Горбачев, М. Kushner, N.Sato, L.Alves, W.Goedheer и др.) различающихся используемыми приближениями в описании кинетики электронов, размерностью по пространственным координатам, степенью полноты описания химических превращений и т.д. в этих работах присутствие частиц пыли в объеме разряда, как правило, не рассматривается.

Современный этап развития моделирования газовых разрядов отличается комплексным подходом к описанию явлений. Тем не менее, в настоящее время отсутствуют модели разряда в силане, которые бы воспроизводили полномасштабное эволюционное поведение пылевых частиц. Поэтому при разработке плазмохимических систем, в которых рабочим газом являются кремневодороды, наряду с использованием комплексных моделей сохраняют актуальность более простые расчеты, в которых рассматриваются отдельные подсистемы силановой плазмы, а пылевая компонента рассматривается как свободный параметр.

Цель работы: создание математической модели процессов переноса нейтральных компонент плазмы тлеющего разряда с учетом неравновесной кинетики электронов.

Решаемые задачи:

1. определение функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) для плазмы силансодержащих смесей при наличии пылевых частиц на основе численного решения уравнения Больцмана;

2. расчет электронных кинетических коэффициентов для ВЧ-плазмы аргона, гелия и смеси Ar+SiH4 с учетом частиц пыли;

3. разработка модели переноса нейтральных частиц химически-активной плазмы в диффузионном приближении и расчет химического состава силановой плазмы для условий соответствующих осаждению пленок аморфного и микрокристаллического кремния;

4. установление основных механизмов плазмохимического разложения моносилана в ВЧ-плазме путем численного анализа кинетики химических реакций, протекающих в плазме Ar+SiH4.

Научная новизна:

5. предложено влияние монодисперсных пылевых частиц на энергетическое распределение электронов в газоразрядной плазме характеризовать одним параметром g,_d = and, где а и n_d радиус и концентрация частиц соответственно;

6. впервые установлено, что коэффициенты диффузии и подвижности электронов в аргоновой плазме при добавлении пыли существенно увеличиваются в области малых значений приведенного поля;

7. впервые проведен расчет ФРЭЭ в аргон-силановой плазме с уче-

том частиц пыли в широком диапазоне значении приведенного поля и определен параметр пылесодержания, начиная с которого влияние пылевых частиц на кинетику электронов становится существенным;

4) на осново математической моделм диффузионного нероноса нейтральных компонентов с учетом химических реакций в газовой фазе проведен анализ химической кинетики реагентов высокочастотного разряда пониженного давления в смеси Ar+5%8iH4 для условий, соответствующих получению пленок аморфного кремния.

Теоретическая и практическая значимость

Полученные в работе результаты, дополняют имеющиеся теоретические представления о физико-химических процессах, протекающих в по-лимеризующейся плазме силансодержащих газов.

Рассчитанные зависимости коэффициентов переноса электронов от приведенного поля в аргон-силановой плазме могут использоваться в качестве параметров при разработке гидродинамических моделей газового разряда в рабочей смеси Ar+SiH4.

Разработанная модель диффузионного переноса нейтральных компонентов реагирующего газа применима для описания химической кинетики в плазмохимических системах с формированием пылевых частиц в газовой фазе (смеси содержащие метан, ацетилен и др.)

Результаты работы внедрены в учебный процесс Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского при преподавании дисциплин «Физика газового разряда», «Физика химически-активной плазмы» студентам, обучающимся по направлению «Физика» и дисциплины «Физическая электроника» студентам, обучающимся по направлению «Радиофизика».

Методология и методы исследования

При исследовании кинетики электронов в частично-ионизованном газе, содержащем частицы пыли, используется детерминированный подход, заключающийся в численном решении однородного уравнении Больцмана в двучленном приближении.

Предложенная в работе двумерная модель переноса нейтральных частиц химически-активной плазмы основана на уравнениях диффузии, которые решаются численно с использованием неявной конечно-разностной схемы.

Положения, выносимые на защиту

8. вывод о допустимости параметризации объемного пылесодержания параметром g,_d = a?nd в задаче определения функции распределения электронов по энергии в слабоионизованной запыленной плазме из уравнения Больцмана;

9. закономерности изменения энергетического распределения электронов в плазме Ar+SiH4 при наличии частиц пыли с ^ = 5 10-4 -

5- Ю"³ см"¹;

3. зависимость кинетических коэффициентов электронов в газоразрядной плазме инертных газов и в смеси Ar+8iH4 в диапазоне значений приведенного поля E/N = 5 1(Г18 - 5 1(Г15 В-см2 и объемным содержанием пылевых частиц ,_d = 5 1(Г4 - 5 1(Г3 см"1;

4. вывод о влиянии минимума Рамзауэра в транспортном сечении рассеяния на эффект увеличения коэффициентов переноса электронов в области малых E/N при добавлении пылевых частиц в плазму аргона;

5. двумерная модель переноса нейтральных компонентов плазмы пониженного давления в силансодержащем газе в реакторе цилиндрической геометрии;

6. результаты численного анализа химической кинетики радикалов силана при внешних параметрах ВЧ-разряда, соответствующих осаждению пленок аморфного кремния.

Апробация результатов

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: X конференция по физике газового разряда (Рязань, 2000), III Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2002), Всероссийская научная конференция по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2004), III Международный технологический конгресс (Омск, 2005), VII Международная молодежная научная конференция «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики» (Томск, 2017), Всероссийская научно-практическая конференции «Омские научные чтения» (Омск, 2017).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 26 печатных работах, из них 9 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, 1 монография, 14 статей в других изданиях, включая сборники тезисов докладов и материалов конференций.

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы, включающего 177 наименований, и одного приложения. Общий объем диссертации 129 страниц, включая 32 рисунка и 3 таблицы.