2814

зрачные окна технологических камер, оболочки электровакуумных приборов и т.д. Наиболее изучены и освоены процессы сварки, сверления и резки.

В учебном пособии рассматриваются физико-химические основы процессов лучевых и плазменных технологий, типовые установки, конкретные технологические процессы и примеры их реализации.

Данное учебное пособие написано на основе курса лекций по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий», читаемого студентам Воронежского государственного технического университета, и полностью соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», направленности «Микроэлектроника и твердотельная электроника» дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий».

10

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

1.1. Плазма. Основные понятия и характеристики

Плазма представляет собой частично или полностью ионизированный газ, состоящий из смеси стабильных и возбужденных атомов и молекул и продуктов распада молекул: радикалов, положительно и отрицательно заряженных ионов, электронов.

Плазма – электрически квазинейтральная система, в которой отрицательно заряженными частицами являются, в основном, электроны, положительно заряженными – ионы газа. Электроны обладают тепловой энергией ЕЭ = 1 – 12 кэВ, что соответствует температуре Те = 104 – 108 К, при этом их концентрация пе достигает значений пе = 109 – 1016 см–3. Атомные и молекулярные частицы имеют тепловые энергии, соответствующие температуре Та, м = 600 К.

Название плазмы было введено Ленгмюром.

Плазма - наиболее распространенное состояние вещества. Верхние слои атмосферы, звезды, радиационные пояса Земли, газовые разряды любого типа представляют собой плазму и их поведение связано с явлениями, протекающими в плазме.

Плазма образуется при внешнем воздействии на веще-

ство:

–с помощью различного рода газовых разрядов. Газовый разряд - это способ получения плазмы в земных условиях с помощью электрического поля.

–в сильных переменных и постоянных электрических и магнитных полях;

- нагрев газа в процессе горения; воздействие ионизирующих излучений (лазерное, электронное, ИК и др.); ионизация

спомощью ударных волн (в лабораторных условиях).

11

В дальнейшем, говоря о плазме, мы будем иметь в виду только газообразную плазму, не касаясь рассмотрения свойств плазмы твердых тел.

Под технологической плазмой понимают состояние вещества в виде газового разряда, характеризуемое определен-

ной степенью ионизации и квазинейтральностью.

Плазма в общем случае состоит из заряженных частиц обоих знаков и нейтральных атомов, молекул и радикалов.

Если обозначить концентрацию электронов и ионов в единице объема ne или ni, а концентрацию частиц газа при соответствующих условиях nг, то воспользовавшись соотношением

можно определить важнейшую характеристику плазмы, называемую «степень ионизации плазмы».

Степень ионизации – это отношение количества ионизированных атомов или молекул к общему количеству тяжелых частиц (нейтральных и заряженных) в объеме

где Ni – число ионизированных атомов; N – число нейтральных частиц; ne – число электронов; n0 – общее число частиц.

Степень ионизации колеблется в широких пределах от 10–7 до 10–1 и в значительной степени определяется температурой газа и давлением.

12

Обычно в технологической плазме nг > ne > ni и поэтому в первом приближении можно записать

Взависимости от величины α плазму разделяют на слабо, сильно и полностью ионизированную.

Вслабо ионизированной (или низкотемпературной) плазме средняя энергия частиц значительно меньше энергии ионизации атомов, и степень ионизации

= 10−2.

г

Обычно степень ионизации низкотемпературной плазмы

составляет величину долей процента при концентрации электронов ne = 109 – 1014 см-3.

Сильно ионизованная плазма характеризуется

= > 10−2г

Для полностью ионизованной плазмы α ≈ 1. Такая плазма в земных условиях существует только в процессе протекания термоядерной реакции и поэтому имеет весьма ограниченное практическое использование.

Важнейшей физико-технической характеристикой плазмы является ее температура. Плазма может быть низкотемпературной и высокотемпературной.

К низкотемпературной относят плазму, имеющую среднемассовую температуру газа от комнатной, до примерно рав-

ной 5∙104 К.

Низкотемпературная плазма может быть термической, т.е. оказывать тепловое воздействие на вещество, и холодной, т.е. не оказывать такого воздействия. Более строго определить

13

эти понятия можно, введя такую характеристику плазмы, как температура.

Температура T представляет собой эквивалент энергии W. За единицу энергии в плазме принят один электрон-вольт, равный 11600 К. В плазме как в системе разнородных частиц, имеющих различный заряд и массу, чаще всего помещенной во внешние электрические и магнитные поля, энергия этих частиц будет существенно отличаться. Поэтому в физике говорят о температуре (энергии) отдельных ее компонент, т. е. температуре нейтральных частиц Tн, ионов Ti, электронов Te.

Масса электрона существенно меньше массы иона. Энергия частиц в плазме приобретается за счет увеличения энергии электрона при его движении во внешних полях, а передается другим частицам в результате столкновительных процессов.

В связи с этим обычно Te > Ti > Tн.

Такая плазма называется неравновесной. Холодная низкотемпературная плазма чаще всего существенно неравновесна и образуется в условиях пониженного давления, когда длина свободного пробега частицы достаточно велика, чтобы на этом пути электрон приобрел значительную энергию (Te 104

К).

Термическая низкотемпературная плазма существует чаще всего в условиях нормального атмосферного или повышенного давления, когда длина свободного пробега достаточно мала, количество столкновительных актов в плазме резко возрастает и энергии частиц за счет этого почти выравниваются. Однако в этом случае должны существовать внешние условия, которые быстро компенсируют потери энергии при столкновениях, т.е. эффективность передачи энергии от внешнего источника должна быть очень велика.

Обычно и величина передаваемой энергии значительна - порядка нескольких киловатт и выше. Тогда устанавливается соотношение Te ≈ Ti ≈ Tн и плазма может называться квазиравновесной или равновесной.

14

О температуре плазмы в целом говорить нельзя. Необходимо всегда указывать температуру отдельных ее компонентов.

Например, в неравновесной холодной плазме при Te = 105 К температура ионов может составлять порядка 5∙102 К, а температура нейтральных частиц может быть и того меньше. В это же время энергия отдельных частиц (в том числе ионов и нейтральных) в плазме будет достаточной, чтобы существенно увеличить скорость химических реакций и обеспечить эффективный процесс физико-химических превращений вещества, который при нормальных условиях идет либо слишком медленно, либо вообще не идет.

Низкотемпературной считают плазму с Te ≤ 105 К , а высокотемпературной с Ti ≈ 106 – 108 К.

Высокотемпературная (горячая) плазма состоит практически только из электронов и ионов, а степень ее ионизации близка к единице.

Квазинейтральность означает приблизительное равенство концентраций зарядов противоположного знака.

Плазма не может быть создана малым числом заряженных частиц. О плазме можно говорить только в том случае, если суммарное увеличение концентрации зарядов одного знака создает электрическое поле, приводящее к перераспределению заряженных частиц в пространстве и выравниванию концентраций зарядов противоположного знака.

Критерием квазинейтральности плазмы является такая концентрация заряженных частиц, при которой размер области, занимаемой газом (L) значительно больше дебаевского радиуса (rD). Дебаевский радиус – это расстояние, на котором кулоновское поле любого заряда плазмы экранируется окружающими его зарядами противоположного знака. Дебаевский радиус определяется выражением

15

перераспределение кинетической энергии взаимодействующих частиц без изменения их внутренней энергии (процесс 1, табл.

1.1).

При неупругих столкновениях столкновение электронов

сатомами или молекулами сопровождается изменением внутренней энергии или химического состояния последних (процессы 2 - 7, табл. 1.1). Неупругие соударения могут быть первого рода и второго рода.

При неупругих соударениях первого рода происходит передача энергии от электронов к атомам или молекулам газа. Неупругие соударения второго рода сопровождаются передачей энергии от возбуждённых атомов или молекул к электронам.

При использовании плазмы в технологическом оборудовании полупроводниковой техники, как правило, имеют дело с низкотемпературной плазмой, степень ионизации которой не очень высока.

Всилу этого большое значение имеют столкновения между нейтральными частицами и электронами, а также ионов

снейтральными частицами.

Электрон - электронные и ион - ионные столкновения играют в низкотемпературной плазме меньшую роль.

17

К элементарным процессам в плазме газового разряда относят:

1)ионизацию;

2)диссоциацию молекул на атомы без ионизации;

3)рекомбинацию;

4)упругие соударения с обменом энергии;

5)процессы перезарядки.

Ионизацией называют отрыв части электронов от атомов или молекул, который может осуществляться несколькими путями:

а) термическим (термическая ионизация); б) воздействием излучения различных видов (рентгенов-

ское, УФ, лазерное и т. д.); в) электрическим разрядом.

В технологических плазменных устройствах чаще всего обеспечивается ионизация в электрических газовых разрядах различного вида.

Механизм ионизации в разряде заключается в образовании электронной лавины.

Рис. 1.1. Образование электронной лавины

Обязательным условием развития лавины должно быть электрическое или электромагнитное поле такой величины, чтобы оно сообщало электрону на длине свободного пробега больше энергии, чем нужно для выбивания из атома еще одно-

18

го электрона. Такой механизм носит название ионизации электронным ударом.

Так как в большинстве плазменных технологических устройств используются многоатомные газы, одним из результатов столкновительных процессов с молекулами является их диссоциация.

Под диссоциацией понимается расщепление молекулы на более простые частицы в результате нарушения связи между атомами, происходящее за счет поглощения молекулой избыточной энергии.

Схематично это может быть представлено: AB ↔ A + B В конечном счете, именно этот процесс ответственен за

многие физико-химические превращения, используемые в различных технологических задачах.

Кроме процесса ионизации в плазме происходит и процесс нейтрализации заряженных частиц - так называемая ре-

комбинация.

Вследствие соединения двух частиц с противоположными знаками рекомбинация является важным каналом убыли электронов и ионов в плазме.

Рекомбинировать могут положительные и отрицательные ионы, а также электроны с положительными ионами.

Возможные механизмы рекомбинации

A+ + B− → AB + hν (с излучением энергии)

A+ + е → A + hν (с излучением энергии)

A+ + B− → A + B .

Рассмотрим основные процессы, приводящие к образованию активных частиц плазмы двухатомного газа (А2) при

электронном ударе ( е ):

а) возбуждение с образованием метастабильных электронно- и колебательно-возбужденных молекул ( А2 )

е А2 А2 е ;

б) диссоциация с образованием валентно ненасыщенных

частиц – радикалов ( А )

е А2 е 2А ;

19