Распределения атомов и молекул водорода по энергетическим уровням в ВЧЕ разряде в метане

Размещено на http://www.allbest.ru/

Распределения атомов и молекул водорода по энергетическим уровням в ВЧЕ разряде в метане

С.В. Автаева, Т.М. Лапочкина

Кыргызско-Российский Славянский университет

Проведено экспериментальное исследование характеристик ВЧЕ разряда магнетронного типа в метане методами оптической спектроскопии. Изучены распределения атомарного и молекулярного водорода по энергетическим уровням при различных условиях в разряде.

ВЧЕ разряды магнетронного типа широко используются в современных технологиях, связанных с обработкой поверхностей материалов в микроэлектронике, в частности, для плазменно активированного газофазного осаждения полимерных углеродных пленок. Параметры получаемых пленок определяются физическими и химическими процессами, протекающими в газовом разряде. Для того чтобы оптимизировать процесс осаждения пленок, необходимо предсказывать параметры плазмы, что возможно только на основе знания зависимостей характеристик плазмы от параметров разряда (давление, мощность, магнитное поле, состав и расход газа) и механизмов физико-химических процессов, протекающих в плазме при осаждении пленок. Цель таких работ состоит в том, чтобы на основе экспериментальных и теоретических исследований выяснить механизм формирования заселенностей по колебательным и вращательным уровням в тех или иных конкретных условиях и установить связь этих распределений с параметрами плазмы и характеристиками происходящих в ней физических процессов. Разрабатываемые в ходе таких работ количественные модели плазмы могут применяться для спектроскопической диагностики плазмы и рационального выбора условий в плазме, наиболее благоприятных для осуществления тех или иных прикладных задач.

В данной работе исследуется спектр излучения ВЧЕ разряда в метане и заселенность энергетических уровней атомарного и молекулярного водорода.

Экспериментальная установка. ВЧ разряд горит между центральным плоским электродом и стенками цилиндрической разрядной камеры, которая заземлена. На электрод подается ВЧ сигнал от ВЧ-генератора с частотой 13,56 МГц через согласующее устройство. Две магнитные катушки создают магнитное поле, направленное перпендикулярно высокочастотному электрическому полю. Разрядная камера откачивается до давления 10-4-10-5 Тор с помощью форвакуумного и диффузионного насосов. Регистрирующая оптическая система включает в себя монохроматор МДР-23 и фотоэлектронный умножитель ФЭУ-79 с автоматизированной системой регистрации спектров, собранной на базе персонального компьютера. Излучение разряда отбирается через диагностическое кварцевое окно и направляется на входную щель монохроматора при помощи системы линз или световода.

Условия в разряде варьировались следующим образом: величина индукции магнитного поля В от 50 до 200 Гс, давление в камере от 0,5 до 5 Па, мощность, подводимая к разряду, W=90ч120 Вт. Получены спектры излучения ВЧЕ разряда в метане, горящего при описанных условиях в диапазоне длин волн от 4200 Е до 6600 Е. В спектре наблюдаются линии атомарного водорода серии Бальмера Нб(6563 Е, k'=3>k=2), Нв(4683 Е, k'=4>k=2), Нг(4340 Е, k'=5>k=2), полоса радикала СН (A2-X2) системы 4300 Е, большое количество линий молекулярного водорода на участках спектра 4400-4800 Е и 4900-6400 Е, в том числе, системы Фулхера Н2 (d3u' - a3g''; '= ''= 0,1,2,3) [1,2]. Атомарный и молекулярный водород, а также радикалы СН, интенсивно излучающие в плазме ВЧ разряда, - продукты диссоциации метана и целого ряда физико-химических элементарных процессов, протекающих в плазме ВЧ разряда. Возбужденные состояния атомарного водорода Н*(k=3,4,5), молекулярного водорода Н2* и радикала СН(A2) могут образовываться как при диссоциации метана при столкновениях с электронами, так и при прямом возбуждении из основного состояния [3,4]. Экспериментально измерены зависимости интенсивностей спектральных линий атомарного водорода серии Бальмера и молекулярных полос системы Фулхера в ВЧ разряде в метане от индукции магнитного поля при двух давлениях. Атомарный водород. Используя полученные данные для интенсивностей спектральных линий атомарного водорода серии Бальмера, можно оценить заселенности возбужденных уровней атомарного водорода. В случае больцмановской заселенности уровней, интенсивность спектральной линии, отвечающей переходу из состояния с энергией возбуждения Еk в основное состояние, определяется следующим выражением [5]:

(1)

где Iki - интенсивность спектральной линии, h - постоянная Планка, n0 - концентрация частиц в основном состоянии, Аki - вероятность перехода, лki - длина волны, g0 и gk - статистические веса основного и возбужденного состояний, k - постоянная Больцмана, Tе - температура электронов. Преобразуя формулу (1), получим:

(2)

При этом зависимость величины от энергии возбуждения Ek линейная, и по наклону прямой можно оценить электронную температуру. Данные, необходимые для расчета величины взяты из [6]. Экспериментально полученные значения величины для линий Нб, Нв, Нг для различных условий (таблица 1) в разряде показаны на рисунке 1 в виде зависимости от энергии уровня Еk.

атом водород разряд метан

Из рисунка видно, что заселенность уровней атомарного водорода в ВЧ разряде в метане не больцмановская. В условиях эксперимента в ВЧ разряде в метане может реализовываться коронарное равновесие, когда энергетические состояния атомарного водорода заселяются прямым возбуждением при столкновениях с электронами, а расселяются в результате радиационного распада. В этом случае для заселенности Nk возбужденного энергетического уровня с главным квантовым числом k можно записать . В условиях коронарного равновесия заселенности уровней атомарного водорода определяются сечением возбуждения в максимуме и временем жизни уровня. Значения величины для линий Нб, Нв, Нг для различных условий в разряде (таблица 1) показаны на рисунке 2 в виде зависимости от энергии уровня Еk. Как видно из рисунка, в условиях эксперимента наблюдается инверсная заселенность энергетических уровней атомарного водорода Н(k=3,4,5), что может быть связано с существованием дополнительного канала подзаселения уровней при протекании химических реакций.

Таблица 1

Параметры ВЧ разряда в метане, соответствующие распределениям атомарного водорода по энергетическим уровням, представленным на рисунках 1,2

Молекулярный водород. В спектре излучения ВЧЕ разряда в метане наблюдается большое количество линий молекулярного водорода на участках спектра 4400 - 4800 Е и 4900 - 6400 Е, в том числе системы Фулхера Н2 (d3u' - a3g''; '= ''= 0,1,2,3).

При равновесном распределении молекул водорода по колебательным уровням колебательная температура молекулярного водорода может быть оценена по наилучшему совпадению экспериментально измеренного распределения интенсивности в колебательных полосах системы Фулхера с теоретически рассчитанными распределениями [7]. На рисунке 3 показано типичное распределение интенсивностей колебательных полос системы Фулхера Н2(d3u' - a3g''; '= ''= 0,1,2,3), наблюдаемое в спектре излучения плазмы ВЧЕ разряда при давлении метана 1 Па. Там же приведены теоретически рассчитанные распределения для равновесного распределения молекул водорода по колебательным уровням. Значения интенсивностей нормированы на значение интенсивности полосы (1-1). Как при давлении 1 Па, так и при 5 Па экспериментально наблюдаемые распределения интенсивностей в колебательных полосах системы Фулхера отличаются от равновесных, колебательные уровни с v'=2 и v'=3 существенно обеднены по сравнению с равновесным распределением.

Учитывая, что большая часть молекул находится на нижних двух колебательных уровнях, можно определить колебательную температуру для двухуровневой системы. Определенная таким образом колебательная температура молекулярного водорода лежит в пределах 0,2-0,5 эВ.

По распределению относительных интенсивностей вращательных линий Q-ветви (0-0) колебательной полосы системы Фулхера определялась вращательная температура молекул водорода в ВЧЕ разряде в метане.

Типичный вид вращательной структуры колебательной полосы (0-0) системы Фулхера представлен на рисунке 4. Вращательная функция распределения молекул в возбужденном состоянии связана с вращательной функцией распределения в основном состоянии выражением [7]:

(3),

где К0 и К' - квантовые числа, RK0K' - факторы Хёнля-Лондона. Это выражение использовалось для получения зависимости , связывающей вращательные температуры молекул водорода в основном и возбужденном состоянии. Для вращательной температуры молекул водорода в основном состоянии получены значения 480-570 К. Тrot растет с увеличением магнитного поля и давления метана.

Проведено экспериментальное исследование характеристик ВЧЕ разряда магнетронного типа в метане при различных условиях в разрядной камере методами оптической спектроскопии. Изучены заселенности возбужденных уровней атомарного водорода. Образование возбужденных атомов водорода непосредственно в процессах диссоциации метана или молекулярного водорода при столкновениях с электронами не в состоянии объяснить инверсную заселенность, наблюдаемую в разряде, так как константа такого диссоциативного возбуждения будет уменьшаться с увеличением энергии уровня. Для реализации инверсной заселенности возбужденных состояний атомарного водорода необходимы дополнительные механизмы подзаселения верхних энергетических уровней Н(k = 4, 5).

Как показывают расчеты [8], в ВЧЕ разряде в метане реализуется довольно высокая концентрация молекулярного иона водорода 1075107 см-3, концентрации 10141015 см-3, 1012 см-3, соответственно. Сечение диссоциа-тивной рекомбинации иона молекулярного водорода на 24 порядка превышает сечение возбуждения уровней Н(k=3,4,5) прямым электронным ударом из основного состояния. Заметим также, что при типичной для ВЧЕ разрядов температуре электронов 23 эВ функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) при энергиях 1213 эВ существенно обеднена электронами по сравнению с интервалом энергий 0.011 эВ [9], например, при Те=2 эВ отношение F(13 эВ)/F(1 эВ) 102. Таким образом, константа скорости диссоциативной рекомбинации с образованием Н* будет в 105 раз превышать константу прямого возбуждения из основного состояния Н. Следовательно, при разнице в концентрациях Н и на 5 порядков, оба процесса будут вносить сопоставимый вклад в образование возбужденных атомов водорода. Причем диссоциативная рекомбинация может формировать инверсное заселение уровней.

По экспериментально полученным распределениям интенсивностей в колебательных полосах системы Фулхера оценена колебательная температура молекулярного водорода. По-видимому, наблюдаемое распределение молекул водорода по колебательным уровням свидетельствует об увеличении констант скоростей элементарных процессов с участием колебательно-возбужденных молекул водорода с ростом колебательного квантового числа, что приводит к уменьшению заселенностей колебательных уровней с более высокими колебательными квантовыми числами по сравнению с равновесными условиями.

По распределению относительных интенсивностей вращательных линий Q-ветви (0-0) колебательной полосы системы Фулхера определена вращательная температура молекул водорода в ВЧЕ разряде в метане. Вращательная температура растет с увеличением магнитного поля и давления метана, что связано с ростом концентрации заряженных частиц в разряде. Рост вращательной температуры указывает на рост температуры газа.

Литература

Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. М.-Л., 1963.

Пирс Р., Гейдон А. Отождествление молекулярных спектров. /Пер. с англ.; под ред. Мандельштама С.Л., Аленцева М.Н.; М., 1949.

Pastol A. and Cathe Y. J. Phys.D: Appl.Phys. 1990. V.23. P.799-805.

Aarts J.F.M., Beenakker C.I.M. and F.J. de Heer. Physica. 1971. V.53. P.32-44

Подгорный И.М. Лекции по диагностике плазмы. М., Атомиздат, 1968.

Beulens J.J. Surface modification using a cascade arc source. Thesis. Technical University Eindhoven, 1992.

De Graaf M.J. A new hydrogen particle source. Thesis. Technical University Eindhoven, 1994.

Herrebout D., Bogaerts A., Yan M., Gijbels R., Goedheer W. and Dekempeneer E. J of Appl. Phys. 2001. V. 90. No.2. P.570-579.

Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона. УФН. 1982. Т.136. С.25.

Размещено на Allbest.ru