WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 8 02;04;09 Абсолютные заселенности метастабильных состояний аргона в плазме высокочастотного разряда © Б.Т. Байсова, В.И. Струнин, Н.Н. Струнина, Г.Ж. Худайбергенов Омский государственный университет, 644077 Омск, Россия e-mail: strunin@omsu.omskreg.ru (Поcтупило в Редакцию 31 октября 2002 г.) Определены абсолютные заселенности метастабильных состояний аргона в плазме высокочастотного разряда в атмосфере чистого аргона и смеси аргона с силаном.

Плазма высокочастотных разрядов в атмосфере мо- Исследуемый высокочастотный разряд возбуждался носилана находит широкое применение в плазмохими- между электродами из нержавеющей стали в кварцевой ческих методах получения пленок гидрогенизированного трубке диаметром 30 mm и длиной 50 mm. Источником аморфного кремния и в последнее время является объек- питания разряда служил высокочастотный генератор том интенсивных теоретических и экспериментальных частотой 13.56 MHz. Давление в системе измерялось исследований [1,2]. Пленки приборного качества в плаз- датчиком ПМТ-2.

ме чистого силана (SiH4) можно получить лишь при Излучение разряда фокусировалось в узкий пучок и малых значениях мощности, вкладываемой в разряд, направлялось на щель спектрографа ИСП-30 с трехпри этом скорость осаждения становится неприемлемо линзовой системой освещения щели, ширина которой малой (1 /s). Увеличение мощности позволит ускорить составляла 8 µm. Система позволяла регистрировать процесс осаждения, но приводит к образованию кон- спектр излучения в диапазоне длин волн 2000-6000.

денсированной дисперсной фазы (КДФ) за счет роста Время экспозиции разряда составило 45 min. Для получисла газофазных реакций, что сказывается на качестве чения абсолютных интенсивностей спектральных линий получаемой пленки [3]. Разбавление силана инертным была проведена калибровка системы по эталонной ламгазом (Ar, He, Kr и др.) при тех условиях разложения пе Си-8-200V.

существенно подавляет образование КДФ, увеличивает При проведении эксперимента в спектре разряда скорость осаждения до 10 /s [4]. Механизм диссоциации были выявлены 3 линии, соответствующие процессам силана в атмосфере аргона и роль метастабильных излучательных переходов (3p55p 3p54s), при которых образований аргона на процесс разложения силана стали происходит распад метастабильных состояний (табл. 1).

объектом пристального изучения [5,6].

Заселенность уровней конфигурации 3p55p определяЦелью работы является определение абсолютной залась по интенсивности спектральных линий, длины волн селенности метастабильных состояний аргона в плазкоторых представлены в табл. 1.

ме высокочастотного разряда в чистом аргоне и смеРасчет заселенности этих уровней проводился по си Ar 95%-SiH4 5%.

формуле [8]:

Большие излучательные времена жизни метастабильd ных состояний обеспечивают относительно высокую 4GSI() tdx плотность возбужденных частиц, которая создается в N =, (1) Ahvl tслабоионизованном или возбужденном газе.

Поскольку время жизни метастабильных состояний где G — увеличение спектрографа; S — ширина щели атомов относительно излучения на несколько порядков микрофотометра; d/dx — обратная дисперсия; l — превышает характерные времена столкновения частиц, диаметр трубки; t1 — время, в течение которого рето метастабильные атомы могут в большом количестве гистрировался спектр лампы; t2 — время, в течение накапливаться в низкотемпературной плазме.

которого регистрировался спектр разряда.

Участие метастабильных атомов аргона в состояни3 ях P0 и P2 в ряде вторичных процессов, протекающих в газоразрядной плазме, имеет большое значение как в Таблица 1. Значения вероятностей переходов и сил осциллячистом аргоне, так и в смесях аргона с другими газами.

торов для линий атома аргона [7] 3 Заселенность состояний P0 и P2 может играть важную роль в кинетике разряда, поскольку через это состояние, f · 103 g1 g2 A, 106 s-возможны различные ступенчатые процессы. Поэтому 4164.18 0.46 5 3 0.для диагностики аргоносодержащих плазменных систем 4181.88 4.6 3 3 0.представляют интерес надежные методы определения 4200.67 3.8 5 7 1.заселенности метастабильных состояний аргона.

Абсолютные заселенности метастабильных состояний аргона в плазме... Таблица 2. Заселенность уровней конфигурации 3p55p Ar Ar + SiH, Давление, mm Hg N, 105 cm-3 N, 105 cm-3 N, 105 cm-3 N, 105 cm-4164.18 0.02 78.92 7.56 65.72 5.0.03 47.31 4.15 48.39 4.0.05 48.46 4.21 46.64 4.0.065 47.19 4.15 44.39 3.0.095 44.19 3.98 43.65 3.4181.88 0.02 80.21 4.28 40.75 2.0.03 47.35 3.02 30.37 2.0.05 39.04 2.56 22.84 1.0.065 37.54 2.50 21.42 1.0.095 32.96 2.28 21.13 1.4200.67 0.02 184.42 7.53 54.27 6.0.03 105.36 4.37 48.02 2.0.05 63.12 2.97 25.83 1.0.065 61.56 2.92 16.86 1.0.095 19.93 1.49 13.55 1.Таблица 3. Основные процессы заселения и девозбуждения метастабильных уровней атома аргона Процесс Коэффициент скорости процесса, ki Ar (1S0) +e Ar (3P0,1,2) +e 3.1 · 10-11 cm3 · s-Ar (3P0,2) +e Ar(1S0) +e 2-5 · 10-10 cm3 · s-Ar (3P0,2) +e Ar(i) +e 3-5 · 10-7 cm3 · s-Ar (3P0,2) +e Ar+ + 2e 10-13 cm3 · s-Ar (3P0,2) +e Ar(1S0) 2Ar(1S0) 3 · 10-15 cm3 · s-Ar (3P0,2) Ar(1S0) 360/(PR2) (T /300)12 s-2Ar (3P0,2) Ar+ + Ar + e 10-9 cm3 · s-Ar(i) Ar(3P0,2) +hv 106 s Ar (3P0,2) +SiH4 Ar + SiH3 + H 1.4 · 10-10 cm3 · s-Ar (3P0,2) +SiH4 Ar + SiH2 + 2H 2.6 · 10-10 cm3 · s-Спектральная плотность излучения I() определялась сфере аргона с силаном — по уравнению (4) по формуле k1nne - k2nne - k3nne - k4nne 2c2h 1 n I() =,T, (2) - k5nn - k7n2 - D + Aini = 0, (3) 5 exp hc i kT k1nne - k2nne - k3nne - k4nne - k5nn - k7nгде,T — спектральный коэффициент теплового изn лучения; T — температура лампы, при которой по- k9nnSiH - k10nnSiH - D + Aini = 0, (4) 4 4 глощение фотоэмульсией дозы излучения (поглощенная i энергия) от лампы и разряда одинаковы (равенство где n — заселенность метастабильного состояния;

поглощенных доз облучения определяется одинаковым n — концентрация атомов в основном состоянии;

почернением фотоэмульсии).

nSiH — концентрация молекул силана; Ai — вероятность Средние значения заселенности N уровней конфигуперехода; ni — концентрация атомов уровней конфирации 3p55p, а также доверительные интервалы N для гурации 3p55p, переходящих с излучением на метастаних представлены в табл. 2.

бильный уровень; D — коэффициент диффузии; — Определение абсолютной заселенности метастабиль- характерная диффузионная длина; ne — концентрация 3 ных состояний P0 и P2 аргона в атмосфере чистого электронов; k1, k2, k3, k4, k5, k7, k9, k10 — коэффициенты аргона проводилось по уравнению баланса (3), в атмо- скоростей процессов, приведенных в табл. 3.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 32 Б.Т. Байсова, В.И. Струнин, Н.Н. Струнина, Г.Ж. Худайбергенов Таблица 4. Заселенность метастабильных состояний Метастабильное Давление, Ar Ar + SiHсостояние mm Hg N, 105 cm-3 N, 105 cm-3 N, 105 cm-3 N, 105 cm-P2 0.02 12.23 0.21 16.55 0.0.03 11.05 0.12 16.28 0.0.05 10.47 0.09 15.69 0.0.065 10.45 0.09 15.45 0.0.95 9.85 0.05 15.35 0.P0 0.02 10.05 0.07 15.30 0.0.03 9.78 0.05 15.15 0.0.05 9.72 0.04 15.04 0.0.065 9.70 0.04 15.02 0.0.095 9.67 0.04 15.01 0.Коэффициенты скорости процессов k2, k3, k5 взяты Заселенность метастабильных состояний в атмосфере из работы [9] и пригодны для случая неравновесного смеси аргон-силан ниже, чем в атмосфере чистого аргоэлектрического разряда. Коэффициенты скорости про- на. Полученный результат указывает на эффективность цессов k1, k4, k7, k9, k10 рассчитывались в работе [6] при протекания реакций разложения молекул силана при давлении газа 0.124 mm Hg, газовой температуре 500 K столкновении с метастабильными атомами аргона.

и частоте электрического поля 13.56 MHz.

Результаты вычислений заселенности метастабильных 3 Выводы состояний P0 и P2 представлены в табл. 4 и на рисунке.

Результаты расчетов показывают, что заселенность 1. Методом эмиссионной спектроскопии определены метастабильных состояний аргона падает с ростом давабсолютные заселенности уровней конфигурации 3p55p ления. Это объясняется тем, что с ростом давления аргона в чистом аргоне и в смеси аргона с силаном.

увеличивается частота столкновений метастабильных Получен диапазон заселенности, который составляет:

атомов аргона с атомами в основном состоянии.

в чистом аргоне 19.93 · 105-184.42 · 105 cm-3, в смеси аргона с силаном 13.55 · 105-65.72 · 105 cm-3.

2. Используя уравнения баланса, найдены заселенно3 сти метастабильных уровней P2 и P0 аргона в чистом и в смеси аргона с силаном, которые составляют для Pв чистом аргоне 9.85 · 1010-12.23 · 1010 cm-3, в смеси аргона с силаном 15.35 · 107-16.55 · 107 cm-3, для Pв чистом аргоне 9.67 · 1010-10.05 · 1010 cm-3, в смеси аргона с силаном 15.01 · 107-15.30 · 107 cm-3.

3. Исследована зависимость заселенности метастабильных состояний аргона от давления в диапазоне от 0.02 до 0.095 mm Hg в чистом аргоне и в смеси аргона с силаном.

Список литературы [1] Kushner M.J. // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 63. N 8. P. 2532– 2551.

[2] Flewitt A.J., Robertson J., Milne W. // J. Appl. Phys. 1999.

Vol. 85. N 12. P. 8032–8039.

[3] Childs M.A., Gallagher A. // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87. N 3.

P. 1076–1085.

[4] Knights J.C., Lujan R.A. et al. // Appl. Phys. Lett. 1985. Vol. 38.

Зависимость заселенности состояний P0,2 от давления в N 5. P. 331–333.

чистом аргоне (I): 1 —Ar (4s P0), 2 —Ar (3P2) и в смеси [5] Van de Sanden M.C.M., Severens R.J. et al. // J. Appl. Phys.

аргона с силаном (II): 3 —Ar (4s P0), 4 —Ar (3P2).

1998. Vol. 84. N 5. P. 2426–2433.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Абсолютные заселенности метастабильных состояний аргона в плазме... [6] Струнин В.И., Ляхов А.А. и др. // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 6.

С. 109–114.

[7] Касабов Г.А., Елисеев В.В. Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы. М., 1973. 161 с.

[8] Прикладная спектроскопия. Материалы XVI совещания по спектроскопии / Под ред. Р.Н. Рубинштейна. М., 1969. Т. 1.

493 с.

[9] Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М., 1980. 310 с.

3 Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.