Хемосорбционное взаимодействие поверхности твердой фазы с конденсатом

Секция ХИМИИ

УДК 546.183

А.Н. Королев

ХЕМОСОРБЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ С КОНДЕНСАТОМ

Взаимодействие приповерхностных слоев твердой фазы с конденсатом в газофазных процессах диффузии и роста имеет в основном хемо-сорбционную природу. Это объясняется тем, что пространственные масштабы протекания элементарных актов этих процессов сравнимы с расстояниями, на которых уже возможно взаимодействие электронных оболочек атомов конденсата и подложки, подобно перекрытию атомных орбиталей при образовании химической связи в молекуле.

Проведенный анализ состояния современной теории хемосорбции показал, что ее развитие связано с использованием представлений, подходов и методов теории химической связи применительно к хемосорбци-онным системам. Перспективным направлением этого развития представляется рассмотрение локальных взаимодействий с учетом их многоэлектронного характера. Подходящей моделью для этой цели представляется «хемосорбционный комплекс» («хемокомплекс»), в состав которого входит адсорбированный атом конденсата (адатом) и «активный центр», представляющий собой группу поверхностных атомов твердой фазы со свободными валентностями. Адатом конденсата находится над поверхностным активным центром кристалла на расстоянии, допускающем образование химической связи между ними [1].

Был рассмотрен элементарный акт перехода атома конденсата из адсорбированного состояния в хемосорбированное, что соответствует перемещению атома из менее глубокой потенциальной ямы в более глубокую, разделенных потенциальным барьером. Существует отличная от нуля вероятность образования химической связи между адатомом и активным центром, определяемая соотношением энергии адатома и высотой потенциального барьера активного центра.

Использовав подход, основанный на теории случайных процессов [2], для величины полного потока вероятности было получено выражение, из которого следует, что эта величина имеет размерность обратного времени, и может быть истолкована как константа скорости образования хемокомплекса.

Для определения величины энергии химической связи в образовавшемся хемокомплексе был использован полуэмпирический метод полного пренебрежения дифференциальным перекрытием метод ППДП [3]. Энергия связи адатома с активным центром была представлена в виде суммы энергии адатома в хемокомплексе, энергии взаимодействия адатома с атомами активного центра и энергии атома в адсорбированном состоянии.

Известия ТРТУ

Специальный выпуск

Изменение полного энергетического состояния атомов хемокомплекса при его образовании должно включать энергию поляризации химической связи адатома конденсата с атомами активного центра, т.е. ту энергию, которая выделяется в результате смещения электронной плотности атомов активного центра под воздействием адатома, дополнительно к энергии связи. Эта задача была решена в рамках кластерного приближения с использованием методики ППДП. Для определения энергии поляризации было сделано допущение, которое постулировало постоянство двухэлектронного характера химической связи. Величина поляризации при этом трактуется как отклонение электронной заселенности орбитали от 1, соответствующей неполяризованному состоянию.

В рассматриваемом случае можно выделить три эффекта, которые изменяют энергетические характеристики атомов активного центра в результате перераспределения электронной плотности. Первый эффект связан с изменением энергии электрон-электронного отталкивания на адатоме. Второй эффект определяется изменением энергии взаимодействия электронов двухэлектронной ковалентной связи в результате смещения «центра тяжести» электронного мостика. Наконец, третья составляющая энергии поляризации возникает вследствие взаимодействия наведенных эффективных зарядов. Сумма всех трех составляющих энергии поляризации определяет ее величину. Полная энергия связи в хемокомплексе была представлена как сумма энергии связи неполяризо-ванного состояния и энергии поляризации.

Оценка величины поляризации Ах показала, что если Дх"~0, хемокомплекс можно считать гомеополярным; подобный комплекс образуется

при формировании пленок в процессах роста. Если же Дх>() , хемокомплекс следует относить к гетерополярным системам; подобные системы образуются при формировании легированных слоев в процессах диффузии.

Образование хемокомплекса и его поляризация сопровождаются диссипацией высвобождаемой энергии, причем этот процесс носит импульсный характер и отличается локальностью протекания.

Было определено температурное поле в области локального разогрева, сопровождающего образование хемокомплекса, а также размер этой области и время диссипации энергии, выделяемой в элементарном акте его образования.

Расчеты показали, что максимальное отклонение температуры от фоновой в окрестности хемокомплекса составляет ~600 К и наблюдается при /— 10"10 с и X— 1 ()"х м. На расстоянии ~5,10'6 м при /=5*1010 с температура совпадает со своим равновесным значением. Кинетика перегрева в окрестности хемокомплекса подчиняется линейному закону.

В соответствии с предлагаемым представлением о хемосорбционном взаимодействии конденсата с поверхностью кристалла, образование хемокомплекса имеет место при проникновении примеси из газовой фазы в структуру кристалла в процессах диффузии, при зародышеобразовании на его поверхности в процессах роста пленок, а также при растворении поверхности кристалла в процессах травления. Возможность реализации названных явлений может быть оценена с помощью отношений Ем/Ек н Е\Шм, где Е\- энергия связи в хемокомплексе; Е{( энергия связи в кристаллической решетке; Ем энергия связи в молекуле конденсата.

При условии Е\/Ек< 1, Е\1Ещ< I реализуется процесс диффузии, при Е\1ЕК- < 1, Е\/Ем > I процесс роста; процесс травления возможен при

ехп:к>\.

ЛИТЕРАТУРА

1- Королей АН.. Сечено« ДА., Петров В.В. Механизм внедрения примеси в приповерхностный слой полупроводника при диффузии //Физика и химия обработки материалов. 1995. №4.

2. Туниц1сий Н. Н. Диффузия и случайные процессы. М.: Наука, 1970.

.4. Сл.ппср Дж. Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел. М.: Мир, 197«.

УДК 531.781.2

В.В. Петров, В.Н. Котов ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ

В технологическом отделе НИИ МВС ТРТУ разработаны и изготовлены опытные экземпляры высокочувствительного сенсора давления на основе тензоэффекта. Технология изготовления сенсоров совместима с полупроводниковой КМОП-технологией. Чувствительным к давлению элементом сенсора является кремниевая мембрана размером 4,5x4,5мм2, сформированная методом анизотропного травления в кремниевом кристалле размером 12x12 мм2. На рабочей стороне кремниевой мембраны сформированы четыре тензорезистора, соединенные в мост Уитстона с одним или двумя разомкнутыми плечами. Минимальная толщина мембраны составляет 15мкм. На периферийной области кристалла сформированы термозависимые элементы и элементы контроля качества технологического процесса. Годные по электрическим параметрам кремниевые чипы приклеиваются нерабочей стороной на кремниевую прокладку, имеющую в центре отверстие, которое, в свою очередь, располагается на коваровом кристаллодержателе. На кристаллодержателе располагается переходная плата, на которую развариваются внешние выводы с кремниевого кристалла. В таком виде сенсор исследовался на нагрузочные и температурные характеристики, которые для указанных размеров мембраны были следующими:

♦ чувствительность не хуже 2,ЗмкВ/ВПа;

♦ сопротивление тензорезисторов -1-ЮкОм;

♦ температурный дрейф нулевого сигнала - 0,15%/°С;

♦ температурный дрейф чувствительности -0,1%/°С.

Исследования нагрузочных характеристик показали, что при питающем напряжении 5В для давления Ша выходной сигнал будет в пределах ЮмкВ. Таким образом, чувствительность сенсора давления составляет 1Па, в связи с чем разработанный сенсор может служить основой высокочувствительных датчиков давления.