ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2007. Т. 48, NУДК
533.9:621.039.66, 539.23+546.28
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ ГАЗОВ,
АКТИВИРОВАННЫХ В ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЕ
В. О. Константинов, С. Я. Хмель
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090 Новосибирск
E-mail: khmel@itp.nsc.ru
Представлены результаты зондовых измерений температуры, концентрации, функции
распределения по энергиям электронов и потенциала плазмы в свободной струе газа, активированной
в электронно-пучковой плазме, и в плоском реакторе. Измерения проводились
с помощью одиночного, двойного и тройного электростатических зондов в струях
газовых смесей гелий — аргон и гелий — аргон — моносилан. Последняя из названных
смесей использовалась для осаждения пленок микрокристаллического и эпитаксиального
кремния. Более качественные пленки микрокристаллического кремния получались в
плотной (ne ≈ 1017 м−3) и холодной (Te ≈ 1,0 ч 0,5 эВ) плазме с низким потенциалом
(Usp ≈ 10 В), в то время как для выращивания монокристаллических пленок кремния
требовалась более горячая плазма (Te ≈ 3÷5 эВ) с потенциалом Usp ≈ 15 В.
Ключевые слова: зондовая диагностика, электронно-пучковая плазма, плазмохимическое
осаждение тонких пленок кремния.
Введение. Для осаждения тонких пленок широко используются плазмохимические
методы с активацией газообразных реагентов в плазме электрических разрядов или плазме
электронного пучка [1, 2]. В частности, для осаждения пленок кремния применяется
силановая плазма [3–5]. Исследование такой плазмы представляет собой актуальную задачу,
причем одним из наиболее распространенных методов диагностики является зонд
Ленгмюра [6–8]. По зондовой характеристике можно получить информацию о температуре
электронов, их плотности, потенциале плазмы, а в общем случае — о функции распределения
электронов по энергиям. Однако при использовании одиночного и двойного зондов
невозможно определить мгновенные значения параметров плазмы (измерение и обработка
вольт-амперной характеристики — достаточно длительная процедура). Эту информацию
позволяет получить тройной зонд [8].
В работе [9] с использованием зондовой диагностики показано, что в электроннопучковой
плазме азота температура и концентрация вторичных электронов составляют
0,5÷2,5 эВ и 1016÷1017 м−3 соответственно. Установлено, что при увеличении давления
в электронно-пучковой плазме температура понижается, а концентрация растет. Измерения,
проведенные в аргоновой электронно-пучковой плазме [10], показали, что температура
электронов составляет около 1 эВ, концентрация — 5 · 1016÷5 · 1017 м−3, потенциал плазмы
приближенно равен 4 В. Такая плазма оказывает мягкое, неразрушающее воздействие
на поверхность и пригодна для обработки материалов и осаждения качественных тонких
пленок [2]. Для осаждения эпитаксиальных слоев требуется более жесткая плазма, однако
в этом случае принципиальной является величина потенциала плазмы [11].
В химически активной плазме поверхность зонда загрязняется растущими пленками,
поэтому для проведения корректных измерений в такой плазме используют подогреваемые
зонды [7]. В работе [12] с помощью подогреваемых зондов установлено, что при увеличе◦
1
3
Стр.1
4
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2007. Т. 48, N◦
1
нии расхода моносилана или давления в разрядной камере температура и концентрация
электронов снижаются.
В данной работе проведены исследования в свободных струях смесей гелий — аргон и
гелий — аргон — моносилан, активированных в электронно-пучковой плазме, и в потоке
газа внутри плоского реактора. Целью данной работы является определение с помощью
зондовой диагностики оптимальных параметров плазмы для осаждения пленок микрокристаллического
и эпитаксиального кремния.
Экспериментальная установка и методика эксперимента. Эксперименты проводились
на газодинамической установке низкой плотности Института теплофизики СО
РАН. Схема эксперимента приведена на рис. 1. В качестве генератора плазмы использовался
струйный источник, состоящий из электронной пушки с плазменным катодом и
двойного осесимметричного сверхзвукового кольцевого сопла [13]. Внешние диаметры сопел
28 и 18 мм, высота критического сечения 1 мм, зазор между пластинами реактора
35 мм. Через внешнее кольцевое сопло в вакуумную камеру подавалась смесь рабочих
газов (аргона и моносилана), а через внутреннее — гелий, служивший для защиты электронной
пушки. Расход газов контролировался расходомер-регуляторами фирмы “MKS
Instruments”. Таким образом формировались струи газовых смесей гелий — аргон и гелий
— аргон — моносилан. Давление в вакуумной камере в зависимости от расхода газа
поддерживалось на уровне 0,1 ч 1,5 Па. Дополнительный кольцевой электрод, установленный
за соплом, служил для изменения энергии ионов. Пленки кремния осаждались в
плоском реакторе (см. рис. 1).
Для нахождения оптимальных условий осаждения пленок параметры системы изменялись
в следующих диапазонах: энергия пучка E = 0,6÷2,0 кэВ, ток пучка I = 170÷400 мА,
расход аргона GAr = 0÷12 н. л/мин, расход моносилана GSiH4 = 0÷0,2 н. л/мин (н. л —
нормальный литр, т. е. литр газа при нормальных условиях: T = 273 K, p = 101 325 Па).
В данной работе использовались одиночный, двойной, двойной подогреваемый, тройной и
тройной подогреваемый вольфрамовые зонды диаметром 0,15÷0,35 мм и длиной 4÷15 мм.
Зонд крепился на двухкомпонентном координатном механизме на 5 мм ниже оси пучка во
избежание возможного повреждения в результате воздействия электронного пучка. В эксперименте
измерялись температура и концентрация электронов в свободной струе и плоском
реакторе на фиксированном расстоянии от среза сопла при изменении расхода и состава
газа для неизменного тока пучка, а также при изменении тока для неизменных расхода
и состава газа. Кроме того, измерены поперечные профили температуры и концентрации
5
1
2
4
3
67
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 — электронная пушка с плазменным катодом; 2 — блок кольцевых сопел; 3 — зонд
Ленгмюра; 4 — реактор; 5 — дополнительный кольцевой электрод; 6 — электронный
пучок; 7 — струя газов; штриховые линии — границы струи
Стр.2
В. О. Константинов, С. Я. Хмель
Te, эВ аб
1018
ne, ì-3
3
2
1
1
4
02 4
0
6
0,5
8
1,0
10 GAr, í. ë/ìèí
1,5 P, Па
2
3
1016
3
1017
4
2
1
3
5
02 4
0
6
0,5
8
1,0
10 GAr, í. ë/ìèí
1,5 P, Па
Рис. 2. Зависимости температуры (а) и концентрации (б) электронов от расхода
(давления) газа:
1–3 — данные настоящей работы: 1 — свободная струя, 2 — реактор, 3 — реактор
(GSiH4
= 0,2 н. л/мин); 4 — данные работы [9]
электронов. В некоторых экспериментах зонд Ленгмюра использовался для измерения или
оценки потенциала плазмы и функции распределения электронов по энергиям [6].
Результаты эксперимента и их обсуждение. На рис. 2 приведены зависимости
электронной температуры и концентрации от расхода (давления) аргона, полученные
с помощью двойного зонда в гелий-аргоновой электронно-пучковой плазме на расстоянии
150 мм от среза сопла в свободной струе и на расстоянии 80 мм—в реакторе (E = 0,6 кэВ,
I = 170 мА). С увеличением расхода аргона температура электронов падает, что может
быть обусловлено рассеиванием и деградацией электронного пучка вблизи среза сопла.
Согласно оценке длина свободного пробега электронов вблизи среза сопла при увеличении
расхода аргона уменьшается до 1 мм, и в результате столкновений они теряют свою
энергию. Вероятно, при GAr ≈ 4 н. л/мин в свободной струе и при GAr ≈ 2 н. л/мин в
реакторе электронный пучок почти полностью рассеивается и температура становится постоянной.
Выход электронной температуры на постоянное значение в реакторе происходит
раньше, чем в свободной струе. Это может быть обусловлено наличием ударной волны,
образующейся в реакторе, что вызывает увеличение плотности и как следствие дополнительное
рассеивание электронов. Такое поведение температуры, по-видимому, означает,
что основная область ионизации расположена вблизи среза сопла. При увеличении расхода
аргона концентрация электронов резко возрастает и при больших расходах имеет
приблизительно одинаковые значения в свободной струе и в реакторе. На рис. 2 приведены
также данные работы [9]. Так как в [9] измерения проводились в статических условиях
в электронно-пучковой плазме в атмосфере азота, то сравнение результатов можно
проводить, используя значения давления фонового газа. Причем сравнение с условиями
в реакторе более корректно, так как на входе в него формируется ударная волна, поток
становится дозвуковым и давление в нем близко к фоновому. На рис. 2,а видно, что температуры
электронов хорошо согласуются. Это означает, что давление, а точнее, плотность
газа является определяющим параметром для электронной температуры при условии, что
расстояние до точки измерения велико по сравнению с длиной свободного пробега электро
Стр.3