Введение к работе
Актуальность темы. Пучок электронов, взаимодействуя с атомами и молекулами газа, проводит к процессам ионизации, диссоциации и возбуждения частиц газа, образуя электронно-пучковую плазму. Изучение параметров такой плазмы в сверхзвуковых струях является важным как с научной точки зрения, так и для практического использования. Научный интерес обусловлен тем, что строгое описание взаимодействия электронного пучка со сверхзвуковым потоком молекулярного газа является затрудненным вследствие необходимости учета большого количества процессов в неравновесной электронно-пучковой плазме: возбуждения внутренних степеней свободы, ионизации и диссоциации. Последующее расширение газа в сверхзвуковой струе с протеканием релаксационных процессов (энергообмен между внутренними степенями свободы и поступательным движением, излучение, плазмохимические реакции) дополнительно усложняют анализ параметров электронно-пучковой плазмы, поэтому использование традиционных методов исследования, применяемых для диагностики сверхзвуковых разреженных потоков газа, наталкивается на ряд проблем.
Прикладная направленность связана с развитием вакуумных струйных технологий в применении к осаждению тонких пленок, в частности тонких пленок кремния для солнечной энергетики. Тонкопленочные солнечные элементы (СЭ) на аморфном кремнии являются одним из наиболее вероятных кандидатов на широкомасштабное производство СЭ. Сдерживающим фактором развития производства СЭ является высокая их стоимость, обусловленная, в конечном итоге, низкой производительностью линий по получению СЭ, поскольку основным на этих линиях является метод осаждение пленок из тлеющего разряда. Метод, основанный на активации потоков газа с помощью электронно-пучковой плазмы, обеспечивает резкое (в десятки раз) увеличение скоростей осаждения пленок на больших площадях подложек при хорошем качестве слоев.
Сказанное выше определяет актуальность экспериментального исследования воздействия электронно-пучковой плазмы на сверхзвуковую струю газа.
Цели работы:
исследовать потоки плазмы низкого давления с помощью оптической электронно-пучковой диагностики;
исследовать механизмы излучения электронно-пучковой силано-вой плазмы;
- найти взаимосвязь излучения электронно-пучковой плазмы со
скоростью осаждения пленок кремния.
Научная новизна:
Экспериментально показано, что оптическая электронно-пучковая диагностика может быть использована для диагностики потоков плазмы низкого давления.
Впервые зарегистрировано, что воздействие электронного пучка на сверхзвуковой поток может существенно изменить распределение плотности и температуры газа в дальнем поле течения.
Впервые показано, что в электронно-пучковой силановой плазме излучение радикала SiH, возникает в результате диссоциативного возбуждения молекулы SiH4.
Впервые зарегистрировано излучение иона кремния с длинами волн 412.807 нм и 413.089 нм в плазме, используемой для осаждения пленок кремния газофазными методами.
Впервые экспериментально показано, что скорость осаждения пленок кремния может контролироваться по оптическому излучению силановой электронно-пучковой плазмы.
Впервые показано, что скорость осаждения пленок кремния в значительной степени определяется изменением структуры потока газа, связанной с формированием ударных волн в реакторе.
Практическая значимость:
Полученные данные о воздействии электронного пучка на распределение газодинамических параметров в сверхзвуковой струе могут быть использованы при разработке электронно-пучковых технологий.
Полученные данные о параметрах плазмы, влияющих на скорости осаждения пленок кремния, могут быть использованы для решения актуальной научно-технологической проблемы контроля параметров пленки в процессе осаждения.
На защиту выносятся:
методика измерения температуры и плотности газа с помощью оптической электронно-пучковой диагностики для потоков плазмы низкого давления;
результаты исследования воздействия электронно-пучковой плазмы на газодинамику течения сверхзвуковой струи;
механизм излучения радикала SiH при возбуждении моносилана в электронно-пучковой плазме;
- экспериментальные данные по связи оптического излучения си-лановой электронно-пучковой плазмы со скоростью осаждения пленок кремния.
Достоверность полученных данных:
Достоверность полученных результатов основывается на использовании отработанных на других объектах экспериментальных методик, проведением калибровочных и тестовых измерений, повторяемостью результатов, сопоставлением экспериментальных данных с данными математического моделировании, а также сравнением с данными других авторов.
Апробация работы:
Результаты работы докладывались на международных и российских конференциях и семинарах: IV международная конференция «Plasma Physics and Plasma Technology», Minsk, (2003); Международная конференция «EuroSun 2004», Fraiburg, Germany, (2004); V международная конференция «Plasma Physics and Plasma Technology», Minsk, Belarus, (2006); XXXIX Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс", Новосибирск, (2001); VII Всероссийская конференция молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, (2002); Материалы Всероссийского симпозиума молодых ученых, студентов и аспирантов «Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы», Петрозаводск, (2005); III Российское совещание по росту кристаллов и пленок кремния и исследованию их физических свойств структурного совершенства «КРЕМНИЙ-2006», Красноярск, (2006).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 в реферируемых журналах, 7 в трудах конференций.
Личный вклад соискателя:
Все результаты, приведенные в диссертации, получены автором, включая участие в обсуждении постановки задачи, создание экспериментального стенда, проведение экспериментов, расчет молекулярных спектров, анализ результатов и подготовку публикаций. Подготовка экспериментальной установки и проведение экспериментов выполнялись автором совместно с к.ф.-м.н. С.Я. Хмель, м.н.с. В.Г.Щукин, В.М. Карстен.
Объем и струюура работы:
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трех глав, выводов и списка литературы с приложением. Объем диссертации составляет 91 стр., включая 58 рисунков.
