Образование радикалов в газоразрядной плазме

В зоне ВЧ разряда молекулы галогеносодержащих соединений, которые в обычном состоянии при температурах до 1000 °С не способны травить материалы, под воздействием неупругих ударов электронов диссоциируют и превращаются в реакционноспособные радикалы. В технологии ИМС чаще всего в качестве источника радикалов используется четырехфтористый углерод CF₄. Диссоциация этих молекул идет согласно следующим уравнениям:

(1.2)

(точкой обозначены неспаренные электроны, под стрелками указаны энергии разрыва связей в электрон-вольтах).

Скорость диссоциации молекул газа в электрическом разряде определяется числом столкновений молекул с электронами, энергия которых превышает некоторую пороговую энергию e_t, необходимую для диссоциации молекул. Однако даже электрон с энергией e > e_t не всегда способен вызвать диссоциацию молекулы, существует лишь некоторая вероятность диссоциации w_d, зависящая от энергии электрона:

где C - константа, связанная с родом газа; e - энергия электрона; E_d - энергия диссоциации молекул газа.

При наличии максвелловского распределения электронов по энергиям скорость диссоциации молекул газа определяется выражением

(1.3)

где m_e - масса электрона; - средняя длина пробега электронов в газе; n_г, n_e - соответственно концентрация молекул газа и электронов; T_e - температура электронного газа.

Из выражения (1.3) следует, что скорость диссоциации молекул
газа увеличивается с ростом концентрации электронов n_e и их температуры T_e и уменьшается с увеличением средней длины свободного пробега электронов и энергии диссоциации молекул газа E_d.

При относительно низких давлениях, когда kT_e >> E_d,

При дальнейшем понижении давления уменьшение n_e, n_r и увеличение преобладают над увеличением T_e, в результате скорость диссоциации падает.

При относительно высоких давлениях, когда kT_e ~ E_d, с дальнейшим ростом давления множитель exp(–E_d/kT_e) стремится к нулю с наибольшей скоростью, скорость диссоциации также уменьшается.

Таким образом, зависимость скорости образования радикалов от давления должна иметь максимум.

Образование радикалов в газоразрядной плазме является лимитирующей стадией ПХТ. Скорость диссоциации молекул газа зависит от многих факторов, поэтому образование радикалов происходит гораздо медленнее, чем протекание других процессов в плазме.