Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Выявление закономерностей процессов химического осаждения из газовой фазы с привлечением инструментальных методов исследования технологической среды



 

    Выяснение физико-химических закономерностей химического осаждения из газовой фазы создает основу для оптимизации процесса и обеспечения надежного управления им. Использование современных методов «in situ» диагностики характеристик технологической среды, из которой собственно и происходит образование осаждаемого вещества, позволяет выявить детальный механизм протекания химического осаждения из газовой фазы и, построить его теоретическую модель. 

    Как было показано, химическое осаждение из газовой фазы относится к одним из наиболее сложных химико-технологических процессов, описание которого должно учитывать газодинамику, теплоперенос, многокомпонентную диффузию, протекание химических реакций, как в газовой фазе, так и на поверхности твердого тела, поверхностные процессы – адсорбцию, десорбцию, поверхностную диффузию, а также кристаллизацию. Очевидно, что проведение исследований таких сложных по своей природе процессов требует привлечения большого количества разнообразных экспериментальных аналитических методов.    

    В этом разделе будут кратко охарактеризованы современные методы диагностики процессов химического осаждения из газовой фазы, успешно использованные на практике для исследования параметров технологической среды, ответственной за формирования продукта.

 

Исследование структуры газовых потоков в реакторах

 

    Структура газового потока, создаваемого в реакторе в первую очередь за счет газа-носителя, оказывает важнейшее влияние на механизм протекания процесса осаждения, так как определяет интенсивность перемешивания газообразных реагентов, устанавливает соотношение между вкладами диффузионного и конвективного массопереноса, а также является ответственной за распределение температуры внутри реактора.

    До последнего времени газодинамическая структура потоков, формируемая в промышленных CVD реакторах, исследовалась достаточно редко. Детальный количественный анализ газодинамических условий затруднен для большинства типов реакторов, так как они, как правило, характеризуются достаточно сложной геометрической формой, наличием внутренних технологических приспособлений, а сложным математическим описанием системы ввода газообразных реагентов. Однако, по-видимому, в самом ближайшем будущем ситуация изменится в связи со значительным прогрессом, достигнутым в области разработки специального программного обеспечения, позволяющего детально моделировать газовые потоки со сложной структурой. Комбинируя результаты экспериментального исследования газодинамики, с результатами математического моделирования удастся достигнуть качественно новых результатов в разработке CVD реакторов, отличающихся высокой воспроизводимостью создаваемых условий и возможностью масштабирования. Особо следует подчеркнуть, что переход предприятий, производящих полупроводниковые приборы и интегральные схемы, на кремниевые пластины диаметром 350 мм и более требует особой тщательности при анализе газовой динамики при разработке современных CVD реакторов, так как они должны обеспечивать высокую однородность осаждения на подложках большой площади.

Методы визуализации пока позволяют наблюдать трехмерную картину течения газа в реакторе. В целом, методы визуализации относятся к полуколичественным, даже в случае простых ламинарных потоков простой геометрии. Однако, эти методы являются очень полезными для получения представлений о характере структуры газовых потоков, создаваемых в CVD реакторах сложной геометрической формы и работающих при высоких расходах газа.

    Методы визуализации разделяются на две группы: трассирования и оптические. Методы трассирования требуют ведения в газовый поток пылевидных частиц некоторого вещества и их визуализации за счет рассеяния света или флюоресценции. Оптические методы основаны на определении небольших отклонений показателя преломления газа, возникающие при его нагреве. Широко применяемая для исследования структуры газовых потоков интерференционная голография относится к разновидностям оптических методов.

 

Метод трассирования

 

Блестящий обзор, посвященный применению методов трассирования для исследования структуры газовых потоков написан Merzkirch в 1987 году.

Метод трассирования может быть достаточно просто реализован в лабораторных условиях и может обеспечить получение трехмерной визуализации структуры газового потока. Наиболее существенными недостатками этого метода являются:

· необходимость введения в реактор вещества, которое может быть источником примеси или вызывать коррозию оснастки реактора;

· трудности получения высококачественного фотографического изображения;

· искажения в отображении истинной структуры газового потока в условиях больших градиентов температуры.

        

Метод трассирования является очень простым. Пылевидные частицы микронных размеров вводятся в газовый поток (это приводит к образованию «дыма»), и линии тока (линии обтекания) визуализируются за счет освещения прозрачного реактора интенсивным источником света. Пылевидные частички, находящиеся в движущемся потоке, рассеивают свет и дают изображение структуры потока в реакторе. Примером непроизвольной реализации этого метода в быту является дым, визуализирующий структуру потока воздуха, выходящего из печной трубы.   

    Для создания пылевидных частиц можно использовать различные способы:

1. Протекание химических реакций

Наиболее часто используется реакция взаимодействия паров тетрахлорида титана с парами воды, приводящая к гомогенному образованию частичек TiO2. В некоторых случаях применялся химический способ, основанный на образовании белого очень плотного и неагрессивного «дыма» при медленном капании керосина на горячую проволоку. 

2. Подача тонкого порошка различных материал или мельчайших капелек жидкости (существенно реже) в поток газа с помощью специальных устройств.

В том случае, если образующиеся частички конденсированного вещества достаточно малы, они подхватываются газовым потоком и переносятся им по линиям тока в соответствии с его структурой практически. Однако, в условиях больших градиентов температуры, присущих многим CVD реакторам, на частички воздействуют термофоретические силы. Природа возникновения этих сил обусловлена явлением термофореза, проявляющимся благодаря тому, что молекулы газа отлетают от более нагретой стороны аэрозольной частицы с большей скоростью, нежели от менее нагретой стороны. Соответственно молекулы газа сообщают частице импульс в направлении убывания температуры. Именно эти силы вызывают отклонения в направлении движения частицы от траектории, обусловленной структурой газового потока. В этой связи, метод трассирования дает только качественную информацию о структуре газового потока в областях реактора с однородным температурным полем, и, как правило, приводит к большим искажениям при исследовании структуры потока вблизи подложкодержателей, где существуют большие градиенты температур.

    Метод трассирования с использованием аэрозольных частиц успешно применялся для изучения структуры газовых потоков в CVD реакторах различного типа. На рис. 14 показаны фотографии визуализированных с помощью аэрозольных частиц TiO2, структур газовых потоков, возникающих в CVD реакторах. На рис. 15 приведена фотография визуализированной структуры газовых потоков при их вводе в реактор с вращающейся подложкой через отверстия в горизонтальной трубке, размещенной над подложкой. Картина спирального потока получена с помощью подсветки ND: YAG или аргоновым лазером.

Следует отметить, что в некоторых случаях для трассирования линий тока можно использовать фосфоресцирующие молекулы органических веществ, например, биацетила. В этом случае удается не только визуализировать структуру потока, но и получить весьма важные сведения о временных параметрах конвективного массопереноса (например, по времени диссипации молекул биацетила из рециркуляционных ячеек потока). Важно подчеркнуть, что в этом случае трассерами являются молекулы, а не частицы конденсированной фазы, и, следовательно, в этом случае результаты исследований значительно более достоверны и точны при оценке времен пребывания и скоростей массопереноса.

Рис. 14. Фотографии визуализированных с помощью частичек TiO2 газовых потоков.

а – области осесимметричной рециркуляции возникающие в зонах резкого изменения поперечного сечения реактора; б – области осесимметричной рециркуляции возникающие в результате естественной конвекции; в – ассиметричная трехмерная смешанная конвекция; г – поперечный вид рулоноподобной застойной зоны в горизонтальном реакторе  и область темного пространства над подложкодержателем, вызванная термофоретической миграцией частиц TiO2 от нагретой поверхности подложкодержателя.    

 

Рис. 15. Фотографии визуализированных газовых потоков над вращающимся подложкодержателе в форме диска, находящегося при комнатной температуре.

Оптические методы

Метод визуализации газовых потоков в реакторе, основанный на чисто оптических измерениях, безусловно обладает преимуществом по сравнению с методом трассирования, так как не требует введения в реактор загрязняющих его частичек аэрозоли. Однако, получение трехмерной картины в этом случае значительно более трудоемко, так как для диагностики используется узко сфокусированный луч света.

Визуализация структуры газовых потоков, основанная на измерении небольших изменений показателя преломления газа, может быть реализована с использованием различных дифференциальных оптических методов: интерферометрии Маха-Цендера, получением Шлирен-фотографий или голографической интерферометрии. Как показывает накопленный экспериментальный опыт, метод голографической интерферометрии является наиболее удобным для исследования структуры потоков в CVD реакторах, так как в этом случае допустимы аберрации в оптических окнах реактора или других оптических компонентах системы.

Голографическая интерферометрия не позволяет непосредственно определять направления течения газовых потоков или линии обтекания. Измеренные различия в длинах оптического пути вызваны градиентами плотности газа в реакторе, таким образом в действительности этим методом измеряется температура газа. Однако, в связи с тем, что закономерности переноса импульса и теплопереноса тесно взаимосвязаны, качественные представления о структуре потока можно получить из информации о характере распределения плотности газа.

Голография - это метод записи и последующего восстановления волновых фронтов. Он основан на регистрации интерференционной картины, образованной волной, рассеянной объектом (предметная волна) и когерентной с ней опорной волной. Фотографическая запись этой картины (на фотопластинке или на фотопленке с повышенной разрешающей способностью) называется голограммой и содержит информацию о фазах и об амплитудах рассеянных волн. Восстановление волнового фронта происходит на втором этапе, когда проэкспонированная и проявленная голограмма освещается опорной волной. Представим, что  интерференционная картина зарегистрирована позитивно в виде амплитудной двумерной голограммы. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием соответствуют тем участкам фронта предметной волны, в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем прозрачнее, чем больше была амплитуда предметной волны. Поэтому при освещении голограммы опорной волной в ее плоскости создается такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение, которое имела при записи предметная волна. В соответствии с принципом Гюйгенса - Френеля голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны, что и обеспечивает формирование объемного изображения объекта. Это изображение, локализованное на некотором расстоянии от голограммы, обладает глубиной и параллаксом, обычно свойственным реальному объекту. Восстановленное трехмерное изображение объекта можно сфотографировать.

Важным применением голографии является голографическая интерферометрия. Методами голографической интерферометрии получаются картины на основе восстановления и интерференции записанных на голограмме волн с опорной волной. В возможности сохранения и последующего восстановления волн состоит уникальное преимущество голографического метода по сравнению с методами обычной оптической интерферометрии.

В методе голографической интерферометрии, применительно к исследования структуры потоков в CVD реакторах, способность голографии хранить информацию о фазе волн используется для создания интерференционной картины между двумя экспериментальными условиями, в которых небольшие изменения в показателе преломления газа обуславливают различия в длинах оптического пути луча. В методе двухэкспозиционной интерферометрии (когда на одну и ту же фотопластинку последовательно регистрируются невозмущенная (без объекта) и возмущенная (с объектом)) волны сначала записывается голограмма, полученная от некоторой области реактора, находящегося при комнатной температуре. Затем реактор нагревается и другая голограмма записывается на тот же участок фотографической пленки. После проявления и освещения фотопластинки опорной волной получается изображение исследованного объекта в виде интерференционных полос, обусловленных различием длин оптических путей. В методе интерферометрии в реальном времени первая голограмма проявляется сразу и интерференционная картина может быть получена непосредственно на ней после нагрева реактора.

    Описанный метод успешно использовался для исследования структуры газовых потоков в горизонтальных реакторах с круглым и прямоугольным сечениями. На рис.16 представлена схема экспериментальной установки, использованной для получения голограмм. Лазерный луч разделялся на два с помощью свето-делительного  кубика. Каждый луч фокусировался и пространственно фильтровался для получения когерентной плоской  волны. Опорная волна направлялась непосредственно на фотографическую пластинку. Предметная волна, пропущенная через CVD модельный реактор, направлялась через линейный фильтр для отделения некогерентного света, рассеиваемого держателем подложек, и пропускалась через полупрозрачную пластинку для получения диффузного источника света. Этот диффузно рассеянный свет для получения голограммы регистрируется на фотографическую пластинку вместе с опорной волной.

На рис. 17 представлена голографическая интерферограмма, полученная от воздушно охлаждаемого реактора, нагретого до 1350 К, через который пропускался водород. Однородно разнесенные полосы соответствуют стабильному потоку над нагретым подложкодержателем. Концентрические кольцеобразные полосы показывают относительно холодные области газа над подложкодержателем, обусловленные формированием теплового пограничного слоя. В противоположность, на рис. 18 приведена интерферограмма, полученная при сходных условиях, но при использовании в качестве газа-носителя азота. Голограмма, регистрируемая в режиме реального времени, показывает, что интерференционные полосы флуктуируют, и конвективный закрученный поток, вероятно существующий при этих условиях, отражается в сложной интерференционной картине. 

 

Рис.16. Схема экспериментальной установки для визуализации структуры газового потока в CVD реакторе с помощью интерференционной голографии.

 

Рис.17. Голографическая интерферограмма водорода в реакторе, нагретого до 1350 К.

 

        

 

Рис.18. Голографическая интерферограмма азота в реакторе, нагретого до 1350 К.

Такие эксперименты позволяют получить важную информацию о структуре потоков в горизонтальных реакторах, включая области ввода реагентов, для различных газов (H2, He, Ar and N2). Удается также успешно изучать области конвективной нестабильности и влияние на них скорости газового потока в реакторах с «горячими» и «холодными» стенками.   

    Кроме рассмотренных методов исследование структуры потоков в CVD реакторах осуществляют с помощью разнообразных микродатчиков, вводимых непосредственно в поток, и позволяющих измерять локальную скорость газа в выбранной точке реактора. Однако, такие методы очень трудоемки и, как правило, позволяют проводить измерения только при комнатной температуре.

 

Измерение температуры газа

 

Во многих работах и научных статьях, в качестве одного из параметров, используемых для характеристики процессов химического осаждения из газовой фазы, используется температура осаждения. Термин «температура осаждения» как правило, используется для задания температуры подложки, на которой осуществляется осаждение пленки. Очевидно, что при этом предполагается наличие однородного температурного поля внутри зоны осаждения или, по крайне мере, на поверхности подложки. Однако следует иметь в виду, что в общем случае в CVD реакторах могут создаваться градиенты температур либо целенаправленно, либо в связи с техническими трудностями, что обуславливает необходимость исследования распределения температуры по площади подлодки.

Особо следует отметить, что термин «температура осаждения», используемый для характеристики условий протекания поверхностных процессов на подложке, не содержит никакой информации о температуре реакционной газовой среды (температуре газа в зоне осаждения), из которой и происходит образование осаждаемого материала. Многие исследователи отождествляют температуру подложки (реактора) и температуру газового потока, протекающего через реактор. Однако, в общем случае это не корректно, так как условия и механизмы теплопередачи, реализуемые при нагреве твердого тела и газа существенно различаются. Например, при высоких температурах (> 800 К) основной вклад в нагрев подложек вносит нагрев излучением в инфракрасной области спектра, а многие молекулы газы (азот, аргон, кислород) не имеющие дипольного момента, не могут поглощать энергию в этой области спектра, и соответственно, нагреваются за счет конвективного либо молекулярного теплопереносов.

 Очевидно, что температура газа является важнейшим технологическим параметром, от которого зависит состав реакционной газовой смеси в зоне осаждения, и поэтому подлежащий тщательному контролю. Для измерения температуры газа широко используются следующие методы: измерение с помощью термопар, рамановская спектроскопия и интерференционная голография.

 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2019-10-03; Просмотров: 221; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.035 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь