Кинетика электронного газа аргон-азот-алюминиевой плазмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Кинетика электронного газа аргон-азот-алюминиевой плазмы

В.И. Струнин, Д.Б. Карабаева, Г.Ж. Худайбергенов Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, г. Омск, Россия

Целью исследования функции электронов по энергиям (ФРЭЭ) является определение транспортных коэффициентов и коэффициентов скоростей плазмохимических процессов аргон-азотной плазмы с примесью паров алюминия. В данной работе проведено моделирование кинетики электронного газа плазмы газового разряда с различным содержанием аргона в смеси аргон-азот-алюминий. Установлено, что даже не большие добавки аргона (5%) в разряд увеличивает температуру электронного газа, при равном количестве аргона и азота дает прибавку к средней энергии электронов на 2-2.5 эВ. Результаты данного моделирования могут быть использованы при получении тонких пленок нитрида алюминия.

Ключевые слова: ФРЭЭ, нитрид алюминия, плазма, кинетика электронов.

Нитрид алюминия имеет ряд привлекательных физических свойств, таких как высокая прочность, теплопроводность, высокая диэлектрическая константа, а также высокая стойкость к едким химикатам. Благодаря таким свойствам тонкие пленки AlN находят свое применение в микроэлектронной промышленности как низлежащий вспомогательный слой в изготовлении оптических устройств на основе AlGaN[1]. Данные по кинетике взаимодействия Al с N2 немногочисленны и не позволяют составить полного представления о закономерностях протекания реакции[2]. Моделирование кинетики электронного газа является эффективным средством исследования механизмов роста пленокнитрида алюминия и позволяет оптимизировать соответствующие технологические процессы.

На основе программы Kinetica[3]получены константы скоростей электронно-индуцированных процессов и определены транспортные коэффициенты, информация о которых существенна для определения состава плазмы и процессов переноса. Для определения ФРЭЭ была использована программа решения кинетического уравнения Больцмана, в которой выбран и использован способ, основанный на разложении функции распределения по сферическим гармоникам[4].

На рис.1 представлены сечения рассеяния электронов на N2, основной вклад в диссипацию энергии электронов вносят колебательные и электронно-возбужденные уровни азота[5]. Особое внимание уделялось сечению диссоциации N2, поскольку в реакции синтеза нитрида алюминия участвует именно атомарный азот. На рис.2 представлено полное сечение диссоциации N2.

Рис. 1 - Сечения рассеяния молекулярного азота от энергии электронов

аргон азотный плазма газ

Рис. 2 - Полное сечение диссоциации молекулярного азота

При этом следует отметить, что диссоциация N2объясняетсяпредиссоциацией из всевозможных электронно-возбужденных состояний, в силу высокого порога процесса. В области энергии электронов E=10-13 эВ основной вклад дает предиссоциация из состояния a1Пg, а при E>13эВ из b1Пuисинглетныхридберговских состояний с E>13эВ [6].

На рис.3 представлены ФРЭЭ для азот-алюминиевой плазмы разряда постоянного тока в диапазоне давлений от P=0.1-0.5 Торр (Е=100В/см).Видно, что с ростом давления доля высокоэнергетичных электронов снижается, а максимум распределения смещается в область низких энергий.Поскольку средняя энергия газовых разрядов, обычно не велика, порядка 3-4 эВ, то энергии электронов будет не достаточно для эффективной диссоциации азота, кроме этого, для магнетронного распыления необходимо участие частиц с большей массой имеющие большие коэффициенты распыления по сравнению с ионами азота. Чаще всего в качестве такого газа используют аргон [7]. Кроме того, аргон обладает метастабильными состояниями (11,5 эВ), через которые возможна диссоциация азота через сверхупругие соударения с электронами, а также разбавление аргоном позволит повысить среднюю энергию электронов [8].

Рис. 3 - ФРЭЭ азот-алюминиевой плазмы. 1- P=0.1 Торр, 2-0,2, 3 - 0.3, 4-0.4, 5 -0.5

Рис. 4 - Константа скорости диссоциации азота в смеси: 1 -50%N2-Al, 2 - 25%N2-25%Ar-Al, 3 - 45%N2-5%Ar-Al

На рис. 4,5 представлены константа скорости диссоциации азота и температуры электронов от различного газового состава.Хорошо видно, что даже не большие добавки аргона (5%) в разряд увеличивает Te, при равном количестве аргона и азота дает прибавку к средней энергии на 2-2.5 эВ.Увеличение доли аргона (см. рис.6) в смеси от 5% до 25% ведет к росту константы скорости диссоциации, значительный рост (на 2 порядка) отмечается, в области низких значений приложенного поля (E/N<600 Тд), что объясняется высокой эффективностью передачи возбуждения через метастабильные состояния аргона. Это хорошо видно на рис. 7, увеличение доли аргона в смеси, значительно увеличивает скорость возбуждения Arm, что повышает вероятность диссоциации N2 через эти состояния, тем самым увеличивает эффективность синтеза нитрида алюминия.

Рис. 5 - Температура электронов в смеси: 1 - 50%N2-Al, 2 - 25%N2-25%Ar-Al, 3 - 45%N2-5%Ar-Al

Рис. 6 - Константа скорости диссоциации азота при разной концентрации аргона в смеси азота-алюминий-аргон. 1 - 5% Ar, 2 - 15%Ar, 3 - 25%Ar

Установлено, что даже не большие добавки аргона (5%) в разряд увеличивает Te, при равном количестве аргона и азота дает прибавку к средней энергии на 2-2.5 эВ.Увеличение доли аргона в смеси от 5% до 25% ведет к росту константы скорости диссоциации, значительный рост (на 2 порядка) отмечается, в области низких значений приложенного поля (E/N<600 Тд), что объясняется высокой эффективностью передачи возбуждения через метастабильные состояния аргона. Увеличение доли аргона в смеси, значительно увеличивает скорость возбуждения Arm, что повышает вероятность диссоциации N2 через эти состояния, тем самым увеличивает эффективность синтеза нитрида алюминия.

Рис. 7 - Константа скорости возбуждения метастабильного состояния аргона для разной концентрации аргона в смеси. 1 - 25%Ar, 2 - 15%Ar, 3 - 5%Ar

Библиографический список

1. Trolier-McKinstry, S. &Muralt, P.Thin Film Piezoelectrics for MEMS// Journal of Electroceramics (2004), Volume 12(1), pp 7-17.

2. Словецкий, Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М.: Наука, 1980.-310с.

3. Ляхов А.А., Худайбергенов Г.Ж. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611223 «Kinetica» (2001)

4. Смит К., Томпсон Р. Численное моделирование газовых лазеров. // М.: Мир, 1981. 130 с.

5. A.V. Phelps and L.C. Pitchford.Anisotropic scattering of electrons by N2 and its effect on electron transport // Phys. Rev. A 31, 2932 (1985).

6. Полак Л.С. Моделирование и методы расчета физико-химических процессов в низкотемпературной плазме. - М.: «Наука», 1974. 38с.

7. C. Yamabe, S. J. Buckman, and A. V. Phelps. Measurement of free-free emission from low-energy-electron collisions with Ar //Phys. Rev. A 27, 1983, 1345

8. M.A. Auger, L. Vбzquez, O. Sбnchez, M. Jergel, R. Cuerno et al. Growth dynamics of reactive-sputtering-deposited AlN films // J. Appl. Phys. 97, 123528 (2005).

Размещено на Allbest.ru