Динамика процессов и модели взаимодействия частиц в пылевой низкотемпературной плазме

• Автор: Олеванов, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

1 Введение
2 Обзор литературы
2.1 Экспериментальные исследования пылевой плазмы
2.1.1 Экспериментальные исследования свойств пылевых кристаллов и фазовых переходов в плазменно-пылевых системах
2.1.2 Экспериментальные исследования коллективных явлений в пылевой плазме
2.1.3 Экспериментальные исследования процессов роста пылевых частиц и методы диагностики пылевой плазмы
2.2 Теоретические модели взаимодействия в плазменно-пылевых системах
2.2.1 Основные параметры плазменно-пылевой системы
2.2.2 Механизмы зарядки пылевых частиц
2.2.3 Механизмы взаимодействия пылевых частиц, связанные с экранированием плазменными потоками
2.2.4 Механизмы взаимодействия пылевых частиц, связанные с коллективными эффектами
3 Моделирование воздействия пылевой подсистемы на свойства низкотемпературной плазмы
3.1 Введение
3.2 Численная модель и алгоритмы расчета
3.3 Результаты численного моделирования
3.4 Выводы
4 Поведение пылевой подсистемы во внешнем электрическом поле
4.1 Введение
4.2 Расчет сил, действующих на макрочастицы во внешнем электрическом
поле
4.3 Возможные применения построенной модели в приложениях
4.4 Выводы
5 Механизмы коагуляции и роста пылевых частиц в низкотемпературной плазме
5.1 Введение

5.2 Этап начального роста пылевых частиц
5.3 Частота коагуляции пылевых частиц в приближении поляризационного взаимодействия
5.4 Динамика пылевой системы на стадии коагуляции
5.5 Выводы
6 Заключение

Глава
Постановка задачи и основные результаты
В последние годы в связи с бурным развитием микроэлектроники и переходом производства на нанотехнологию исследования в области пылевой низкотемпературной плазмы вызывают широкий интерес и имеют большое практическое значение. Уже давно известно, что в большинстве промышленных установок, используемых в полупроводниковом производстве, в качестве побочного продукта происходит рождение и рост частиц микронных и субмикронных размеров. Пылевые образования были найдены в установках по плазменному травлению [1,2], химическому осаждению из газовой фазы [3,4], а также в установках по осаждению методом распыления [5.6]. Поскольку обычно макрочастицы в плазме приобретают значительные отрицательные заряды, то они оказываются запертыми электростатическим полем, и могут расти в течение продолжительного времени, пока разряд не будет выключен, или они не будут выведены из области горения разряда под действием собственной силы тяжести. Уже сейчас современный уровень развития полупроводниковой технологии позволяет оперировать с объектами, имеющими размеры ~0.1 мкм, однако, дальнейшее усложнение и миниатюризация электронных устройств требует размещения все большего числа логических элементов на кристалле, что невозможно осуществить без освоения области размеров в десятки нанометров. Появление пыли во время технологического цикла в этой связи представляет собой серьезную проблему, так как макрочастицы с размерами 20 - 100 нм, попадая на подложку, могут привести к появлению фатального дефекта, резко снижая, таким образом, выход годных устройств.
Однако, наряду с процессами, в которых наличие наночастиц приводит к нежелательным эффектам, существует широкая область задач, связанная с созданием материалов, обладающих специальными свойствами. Исследование и использование процессов рождения и роста частиц в плазме в этой связи имеет важное значение, так как их свойства такие, как монодисперсность размеров, заданный химический состав, оказываются востребованными в технологии, и получение контроля над этими свойствами представляет собой самостоятельную и перспективную задачу. Уже сейчас наночастицы, синтезированные в плазме, применяются в производстве ке-

3.3. Результаты численного моделирования
35000
30000
25000
5 и
[з 20000 пз т о
§- 15000 го
§_ 10000 го со
5000
10° 101 102 103 104 105 10е ю7
Концентрация пыли,
Рис, 3.4: Зависимость заряда макрочастиц в состоянии равновесия от концентрации пыли. Сплошная линия - результат моделирования; пунктирная - результат расчета в приближении Ограниченных Орбит.
на электронейтральные ячейки, в которых в стационарном состоянии поддерживается баланс между рождением и гибелью частиц плазмы. Объем такой ячейки можно оценить, как V ~ гаД1. Поскольку все пространство заполнено такими ячейками, то средний поток частиц плазмы через границу каждой ячейки можно считать нулевым. Кстати говоря, приведенная оценка V может быть использована, как оценка размеров расчетной ячейки, при которых оправдано применение периодических граничных условий в различных численных моделях. Использование радиуса Дебая для такой оценки может приводить к большим ошибкам, так как в случае пылевых частиц задача расчета экранирования выходит за рамки линейного приближения.
В нашей модели при малых концентрациях пыли размер ячейки, в которой должно соблюдаться условие квазинейтральности намного превосходит размер самой расчетной области. По-этому в таком режиме баланс рождения и гибели частиц регулируется потоками с внешней границы ячейки и стоком на поверхность макрочастицы. Однако, при увеличении концентрации макрочастиц V становится сравнимым с размером расчетной области, и роль потоков с внешней границы ослабевает. При этом на первый план выступают процессы ионизации и рекомбинации в самой расчетной