ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2011, том 49, № 4, с. 509-512
УДК 537.525
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СМЕСИ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ HCl-O2 и HCl-Ar © 2011 г. С. А. Пивоваренок, А. В. Дунаев, Д. Б. Мурин, А. М. Ефремов, В. И. Светцов
Ивановский государственный химико-технологический университет E-mail: efremov@isuct.ru Поступило в редакцию 14.07.2010 г.
Проведен анализ влияния состава смеси на электрофизические параметры и спектры излучения плазмы HCl—O2 и HCl—Ar. Получены данные по температуре газа и приведенной напряженности электрического поля. На основании анализа спектров излучения плазмы показано, что разбавление HCl аргоном и кислородом приводит к диспропорционированию концентраций атомов Cl и H за счет протекания вторичных атомно-молекулярных процессов.
ВВЕДЕНИЕ
Смеси хлорсодержащих (Cl2, BCl3, HCl) газов с инертными (Ar, He) и молекулярными (N2, O2, H2) газами находят широкое применение в технологии микро- и наноэлектроники при проведении размерного плазмохимического травления металлов и полупроводников [1, 2]. Кроме очевидных технологических эффектов (стабилизации плазмы, увеличения анизотропии процесса), разбавление активного газа химически инертной добавкой (Ar, N2) способствует защите откачных средств и повышению экологической чистоты производства за счет снижения токсичных компонентов в отходящих газах плазмо-химических установок [1]. Использование в качестве второго компонента смеси H2 или O2 позволяет достигать специфических эффектов при травлении ряда материалов, которые недостижимы с помощью монокомпонентного плазмообразующего газа. Наряду с внешними параметрами разряда (давлением и расходом газа, вкладываемой мощностью), начальный состав смеси представляет эффективный механизм регулирования конечного эффекта обработки.
Известно, что при разбавлении хлора Ar [3, 4], He [4] или N2 [4, 5] эффект газа-добавки не сводится к роли инертного разбавителя, но оказывает влияние на кинетику плазмохимических процессов и концентрации активных частиц за счет изменения электрофизических параметров плазмы. Целью данной работы являлось исследование влияния добавок аргона и кислорода на электрофизические параметры и спектры излучения плазмы HCl в условиях тлеющего разряда постоянного тока.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для экспериментального исследования параметров плазмы тлеющего разряда постоянного тока в HCl использовался цилиндрический проточный ре-
актор (радиус r = 0.9 см, длина зоны разряда l = 40 см), изготовленный из стекла С-49. В качестве внешних (задаваемых) параметров разряда выступали ток разряда i = 15—35 мА, давление газа p = 40—200 Па и расход газа q = 2 см3/с при нормальных условиях. Хлористый водород был получен химическим методом, основанным на реакции между хлористым натрием и концентрированной серной кислотой [6]. Измерение давления и расхода газа проводилось U-образным масляным манометром и капиллярным реометром. Температура нейтральных частиц T рассчитывалась при решении уравнения теплового баланса реактора [7] с использованием экспериментальных данных по температуре наружной стенки TW. Величина TWопределялась с помощью хромель-копелевой термопары. Зондовая диагностика обеспечивала данные по осевой напряженности электрического поля в зоне положительного столба разряда E. При определении приведенной напряженности поля E/N (N = p/kBT — общая концентрация частиц в реакторе) проводилось усреднение температуры в предположении о заданном (бесселев-ском) профиле радиального распределения этого параметра. Запись спектров излучения плазмы HCl осуществлялась с помощью оптоволоконных спектрометров AvaSpec-3648 и AvaSpec-2048-2 с фотоэлектрической системой регистрации сигнала и накоплением данных на ЭВМ. Рабочий диапазон длин волн составлял 200—1000 нм. При расшифровке спектров использовались справочники [8, 9].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Эксперименты показали, что увеличение давления газа при ip = const и тока разряда при p = const в чистых HCl, Ar и O2 приводит к росту как температуры стенки разрядной трубки, так и температуры газа. Такое поведение величин TW и T связано с ростом удельной мощности, вкладываемой в разряд (на-
510
ПИВОВАРЕНОК и др.
5.0 4.5
CS
§ 4.0 В
£ 3.5
0
^ 3.0 ь^ 2.5 2.0 1.5
2.0
(а)
□ 1 о 2 А 3
0.5 1.0
1.5 2.0 2.5 N, 1016, см-3
о
В
1.5
1.0
0.5
3.0 3.5
□ 1 о 2
0.2 0.4 0.6 0.8 Доля Ar, O2 в смеси HCl-Ar, O2
1.0
Рис. 1. Приведенная напряженность электрического поля в плазме HCl (а) и смесях HCl—Ar, переменного состава (б); (а): 1 — ip = 15 мА, 2 — 25, 3 — 35; (б): 1 - HCl-Ar, 2 - HCl-O2 приp = 100 Па и ip = 25 мА.
пример, E = 28.1-59.7 В/см и = 0.7-1.5 Вт/см в плазме HCl при p = 40-200 Па и ip = 25 мА). Разбавление HCl аргоном или кислородом при ip, p = = const сопровождается снижением параметра ipE (1.0-0.3 Вт/см при 0-100% Ar и 0.9-0.5 Вт/см при 0-100% O2, p = 100 Па, ip = 25 мА) и, как следствие, снижением температуры газа от 489 до 458 К и от 487 до 375 К для смесей HCl-Ar и HCl-O2 соответственно. Более узкий диапазон изменения T в смеси HCl-Ar обусловлен одновременным снижением эффективного коэффициента теплопроводности.
Приведенная напряженность электрического поля в чистых HCl, Ar и O2 слабо зависит от тока разряда, но заметно уменьшается с ростом давления газа (рис. 1а, пример для HCl). Так как для плазмы HCl и O2 исследованный в данной работе диапазон давлений соответствует диффузионному (vdif > vda, где Vjf - частота диффузионной гибели электронов, vda - частота диссоциативного прилипания) или переходному (vdif « vda) режиму разряда [10-12], основным механизмом снижения E/N при увеличении
давления газа во всех трех случаях является аналогичное изменение коэффициента диффузии и частоты диффузионной гибели электронов. Разбавление HCl аргоном или кислородом также приводит к снижению величины E/N (например, в 3.7 раза при 0-100% Ar и в 2.4 раза при 0-100% O2, p = 100 Па, ip = = 25 мА), при этом характер зависимостей в обоих случаях близок к линейному (рис. 1б). Это связано с одновременным снижением частот прилипания и диффузионной гибели электронов. Для плазмы смеси HCl-O2 эффект снижения vda обусловлен более низкой эффективностью прилипания электронов к молекулам O2 из-за высокой пороговой энергии (~4.2 эВ для O2 + e —»- O + O- по сравнению с ~0.4 эВ для HCl + e —»- H + Cl-) и малого сечения процесса. Эффект снижения v^ в обоих случаях связан с изменением режима диффузии электронов от свободного к амбиполярному при снижении электроотрицательности плазмы.
Исследование эмиссионных спектров плазмы HCl показало наличие в них излучения как атомарных, так и молекулярных компонентов. Так, в спектре присутствуют две группы линий атомарного хлора (менее интенсивные в сине-зеленой части спектра 430-460 нм, обусловленные возбуждением состояния 5р, и более интенсивные в красной области 700-900 нм, связанные с излучательной дезактивацией состояния 4р) [13], а также три характерные линии атомов водорода Ha, Hß и HY серии Бальмера с длинами волн 656.3, 486.1 и 434.0 нм соответственно. Излучение молекул представлено полосами молекул Cl2 с длинами волн 256.4 и 307.4 нм [13]. Спектр излучения плазмы Ar составлен из большого количества интенсивных линий в красной и ближней инфракрасной областях, наиболее интенсивными из которых являются максимумы 750.4, 811.5 и 912.3 нм. Спектр излучения плазмы O2 представлен несколькими атомарными линиями, из которых наиболее интенсивной является линия O 777.4 нм.
Эксперименты показали, что качественный состав эмиссионных спектров плазмы в смесях HCl-Ar и HCl-O2 отвечает простому сложению спектров излучения разрядов в чистых газах-компонентах смеси. Наиболее интенсивными, стабильно проявляющимися и свободными от перекрывания с соседними максимумами являются Cl 725.7 нм (4p4S —4SP, Sth = 10.6 эВ), H 656.3 нм (3d2D —
— 2p2P°, Eth = 12.09 эВ), Ar 811.5 нм (4p2[5/2] —
— 4уг[3/2]0, Eth = 13.1 эВ) и O 777.4 нм (3p5P — 3s5S0, Eth = 10.7 эВ), где Eth - пороговая энергия возбуждения верхнего состояния. Высокие значения энергий возбуждения указанных выше излучающих состояний позволяют рассматривать возбуждение атомов электронным ударом как основной механизм заселения верхних состояний. Это подтверждается линейным характером зависимостей соответствующих интен-сивностей излучения от тока разряда (рис. 2а). Кро-
0
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СМЕСИ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
511
200 -
150 -
£ 100 о
□ 1
о 2
А 3
X 4
(а)
50
10
15
20 25 ip, мА
(б)
30 35
40
1.0 1.5 2.0
N, 1016, см-3
Рис. 2. Зависимости интенсивностей излучения линий от тока разряда (а) при р = 100 Па и давления газа (б) при р = 25 мА: Н 656.3 нм (7), С1 725.7 нм (2), О 777.4 нм (3) и Аг 811.5 нм (4).
ме этого, низкие времена жизни соответствующих возбужденных состояний позволяют рассматривать излучательную дезактивацию как основной механизм данного процесса. Поэтому можно полагать, что для всех указанных линий и полос заселенность возбужденного состояния и интенсивность излучения I пропорциональны скорости возбуждения Rex = kexnen, где kex — константа скорости возбуждения, ne — концентрация электронов, n — концентрация частиц в основном состоянии. Из рис. 2б видно также, что изменение давления смеси в интервале 40—200 Па в пределах погрешности эксперимента не влияет на интенсивности излучения указанных линий. Это связано с тем, что рост концентрации тяжелых частиц компенсируется уменьшением параметра kexne.
На рис. 3 представлены зависимости интенсивностей излучения линий Cl 725.7 нм и H 656.3 нм от начального состава смесей HCl—Ar и HCl—O2. Из работы [14] известно, что разбавление HCl аргоном сопровождается деформацией функции распределе-
^ 0.6 0.4 0.2 0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Доля Ar, O2 в смеси HCl—Ar, O2
Рис. 3. Интенсивности излучения линий Н 656.3 нм (7, 3) и С1 725.7 нм (2, 4) в смесях НС1-Аг (7, 2) и НС1-О2 (3, 4) переменного состава при р = 100 Па и ¡р = 25 мА.
ния электронов по энергиям (ФРЭЭ), ростом средней энергии электронов 8 и констант скоростей пороговых элементарных процессов, для которых справедливо условие 8Th > 8. Кро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.