Влияние микроскопических образований на электронейтральность плазмы и энергетическое распределение электронов

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 4. С. 107-109.

УДК 533.9

В.И. Струнин, А.А. Ляхов, А.В. Сартаков, Г.Ж. Худайбергенов

ВЛИЯНИЕ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ НА ЭЛЕКТРОНЕЙТРАЛЬНОСТЬ ПЛАЗМЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ *

Получена функция распределения электронов по энергиям для аргон-силановой плазмы низкого давления с присутствием пылевых частиц. Оценено влияние микроскопических образований на электронейтральность плазмы и на энергетическое распределение электронов.

Ключевые слова: плазма, тлеющий разряд, конденсированная дисперсная фаза, ионизационное равновесие, пылевые частицы.

Присутствие конденсированной фазы (КДФ) в устройствах плазмохимического осаждения приводит к ухудшению качества получаемых пленок [1]. Такие частицы образуются, например, в результате осаждения тонких пленок аморфного кремния при производстве солнечных фотопреобразователей. Размер частиц при этом может составлять 0,01-100 мкм. Частицы пыли, присутствующие в плазме, имеют отрицательный заряд, обусловленный большей подвижностью электронов по сравнению с ионами. Этот заряд может достигать значительной величины и при больших концентрациях микрочастиц существенно влиять на параметры плазмы, в частности, приводить к деформации энергетического распределения электронов [1; 2].

Поскольку скорость электронов в плазме намного выше скорости ионов, любое инородное тело, попавшее в плазму, быстро приобретет отрицательный заряд Ра и соответствующий ему плавающий потенциал ф8. Этот потенциал находится из условия равенства (в отсутствие эмиссии) токов электронов и положительных ионов на каждую пылевую частицу. Соответствующие сечения поглощения можно оценить в приближении лимитационного орбитального движения по известным формулам зондо-вой теории [3].

В данной работе рассмотрено влияние пылевых частиц, приобретающих электрический заряд в аргон-силановой газоразрядной плазме вследствие процессов полимеризации, на функцию распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ).

Разложение силана (ВШ4) в плазме тлеющего разряда происходит главным образом в результате электронного удара:

е+ ЗШ4 ^Ш2 +2Н +е

^Шз +Н + е

+ Н+Н2+е.

Развал молекулы силана электронным ударом наиболее вероятно протекает по каналу (К1): распределение продуктов составляет 83 % для (Ы1) и 17% для (К2), остальные реакции имеют, по-видимому, малое сечение взаимодействия (по сравнению с суммарным сечением нейтральной диссоциации), так как не были зафиксированы в эксперименте [4]. Среди образовавшихся продуктов радикалы 8Шт (т < 2) интенсивно реагируют с силаном: ЗШ4 +ЗШ2 ^ В12Н4 +Н2,

ЗШ4 +8Ш ^ 812Нз +Н2.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение о предоставлении гранта в форме субсидии № 14.В37.21.0771.

© В.И. Струнин, А.А. Ляхов, А.В. Сартаков, Г.Ж. Худайбергенов, 2013

108

В.И. Струнин, А.А. Ляхов, А.В. Сартаков, Г.Ж. Худайбергенов

В последующих реакциях это ведет к формированию высших силанов 81пНт (п > 2), которые, в свою очередь, в реакциях с силаном приводят к образованию полисила-нов, в состав которых входят более чем 5 атомов кремния, получивших название «пыль» [5]. Методика расчета ФРЭЭ с участием пылевых частиц хорошо описана в [6].

Проведено моделирование ФРЭЭ аргоновой плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда при наличии пылевых частиц, а также зарядки пылевой частицы. На рис. 1 представлены ФРЭЭ для ВЧ Лг+5°%8Щ4 плазмы для разных концентраций пылевых частиц. ФРЭЭ были получены для пылевых частиц т =10'4см, ш = 5-105^1 -106 см-3. Значение величины напряженности электрического поля составляло Е =10 В/см. Концентрация ионов задавалось параметрически и составляла п = 3-1011 см-3.

На первом этапе вычислений для пылевых частиц задавался начальный заряд (-1), после чего производился расчет ФРЭЭ, расчет значений ионного и электронных токов на пылевую частицу, а затем определялся заряд, равенство токов являлось критерием выхода из цикла. Шаг по времени был т = 10-12 сек. Как видно из рис. 1, наличие пылевых частиц в плазме приводит к обеднению высокоэнергетической части функции распределения, в результате чего изменяются другие характеристики разряда [7]. На рис. 2, 3 представлены кинетика зарядки пылевой частицы, а также значения величины ионного и электронного токов в зависимости от времени для различных кон-

Энергия электронов, эВ

Рис. 1. ФРЭЭ в ВЧ разряде аргон-силановой плазмы: 1 - ФРЭЭ в отсутствие пылевых частиц;

2 - ФРЭЭ для п = 5 • 105 см-3;

3 - ФРЭЭ для ш = 1 • 106 см-3

центраций пыли. Видно, что при меньшей концентрации пыли значение заряда частицы будет превышать как заряд пыли при щ = 1-106 см-3, так и время установления равновесия токов (см. рис. 3), что укладывается в общие рассуждения.

Таким образом, из результатов оценки влияния КДФ на ФРЭЭ, а следовательно, на значения кинетических коэффициентов процессов, протекающих с участием электронов и ионов, и на условия поддержания газовых электрических разрядов, следует необходимость учета этих эффектов при моделировании плазмохимических реакций. Снижение плотности электронов в высокоэнергетичной части ФРЭЭ и вследствие прилипания быстрых электронов к частицам пыли, например, приводит к снижению константы скорости ионизации аргона (см. рис. 4) в присутствии микрочастиц. Одной из таких характеристик, например, является частота ионизации, уменьшение которой приводит к изменению величины электрического поля в плазме, а значит, и соответствующего слагаемого в кинетическом уравнении. Таким образом, нельзя сказать, что ФРЭЭ в присутствии пылевых частиц будет определяться достаточно корректно, поскольку нарушается условие само-согласованности задачи.

В заключение можно отметить, что влияние пылевых частиц на плазму газового разряда представляет собой серьезную самостоятельную задачу и требует более полного и глубокого понимания.

1, ЦС

Рис. 2. Зависимость заряда пылевой частицы от времени: 1 - ш = 5 • 105 см-3; 2 - ш = 1 • 106 см-3

Влияние микроскопических образований на электронейтральность плазмы..

109

цС

Рис. 3. Зависимость электронного и ионного токов от времени для различных концентраций пылевых частиц: 1 и 2 - электронный и ионный ток в ат. сист. ед. для концентрации пылевых частиц 1 • 106 см-3;

11 и 21 - электронный и ионный ток соответственно в ат. сист. ед. для концентрации пыли 5 • 105 см-3

E/N, Тд

Рис. 4. Константа скорости ионизации атома аргона в ВЧ плазме: 1 - в отсутствие КДФ; 2 - при наличии КДФ

ЛИТЕРАТУРА

[1] Siefert W. Corona spray pyrolysis: A new coating technique with an extremely enhanced deposition efficiency // Thin Solid Films. 1984. Vol. 120. P. 267-274.

[2] McCaughey M., Kushner M. A model for particulate contaminated glow discharges // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69. P. 6952-6960.

[3] Boeuf J. Characteristics of a dusty nonthermal plasma from a particle-in-cell Monte-Carlo simulation // Phys. Rev. А. 1992. Vol. 46. P. 7910-7922.

[4] Perrin J. Modelling of the power dissipation and rovibrational heating and cooling in SiH4-H2 RF

glow discharges // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1993. Vol. 26. P. 1662-1679.

[5] Kushner M. A model for the discharge kinetics and plasma chemistry during plasma enhanced chemical vapor deposition of amorphous silicon // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 63 (8). P. 2532-2551.

[6] Струнин В.И. и др. Влияние конденсированной дисперсной фазы на ионизационное равновесие плазмы ВЧ разряда // Вестн. Ом. унта. 2013. № 2. С. 100-103.

[7] Wang D., Dong J. Kinetics of low pressure rf discharges with dust particles // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81. P. 38-42.