UA75530C2 - Спосіб проведення гомогенних і гетерогенних хімічних реакцій з використанням плазми - Google Patents

Спосіб проведення гомогенних і гетерогенних хімічних реакцій з використанням плазми Download PDF

Info

Publication number
UA75530C2
UA75530C2 UA20040907452A UA20040907452A UA75530C2 UA 75530 C2 UA75530 C2 UA 75530C2 UA 20040907452 A UA20040907452 A UA 20040907452A UA 20040907452 A UA20040907452 A UA 20040907452A UA 75530 C2 UA75530 C2 UA 75530C2
Authority
UA
Ukraine
Prior art keywords
reaction gas
gas
plasma
electron beam
reaction
Prior art date
Application number
UA20040907452A
Other languages
English (en)
Russian (ru)
Inventor
Равєль Газізовіч Шарафутдінов
Вольдємар Мартиновіч Карстєн
Андрєй Андрєєвіч Полісан
Ольга Івановна Сємьонова
Владімір Борісовіч Тімофєєв
Сєргєй Яковлєвіч Хмєль
Original Assignee
Откритоє Акціонєрноє Общєство "Твел"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Откритоє Акціонєрноє Общєство "Твел" filed Critical Откритоє Акціонєрноє Общєство "Твел"
Publication of UA75530C2 publication Critical patent/UA75530C2/uk

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/081—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing particle radiation or gamma-radiation
    • B01J19/085—Electron beams only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/24—Deposition of silicon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/48—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating by irradiation, e.g. photolysis, radiolysis, particle radiation
    • C23C16/487—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating by irradiation, e.g. photolysis, radiolysis, particle radiation using electron radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/513—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating
    • C23C16/545—Apparatus specially adapted for continuous coating for coating elongated substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0869—Feeding or evacuating the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0875—Gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0879—Solid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Спосіб проведення хімічних реакцій включає подачу реакційного газу з джерела реакційного газу (2) у вакуумну реакційну камеру (4), формування в ній надзвукового потоку реакційного газу (1) і активацію зазначеного потоку реакційного газу шляхом дії на нього електронним пучком (6) з утворенням електронно-пучкової плазми (8), причому зазначений надзвуковий потік реакційного газу формують таким чином, що на вході у вакуумну реакційну камеру в його центральній частині утворюється зона розрідження (5) зі зниженою по відношенню до сусідніх з нею частин густиною, а вплив на потік реакційного газу електронним пучком здійснюють, вводячи зазначений електронний пучок у зазначену зону розрідження.

Description

Опис винаходу
Винахід відноситься до хімії, а саме, до хімічних технологій, і може використовуватися, наприклад, в електроніці для нанесення металевих, напівпровідникових і діелектричних плівок на металеві, напівпровідникові і діелектричні підкладки, очищення (травлення) поверхонь, у хімічній промисловості для одержання особливо чистих речовин, у тому числі об'ємних твердотельних матеріалів, у металургії для одержання особливо чистих металів.
Відомо, що шляхом дисоціації, іонізації ії збудження молекул речовин, що знаходяться в газовій чи паровій 70 фазі, можна прискорити протікання різних хімічних реакцій. На цьому явищі основані способи проведення хімічних реакцій у плазмі, де практично всі речовини, навіть найбільш хімічно інертні і стабільні, стають високо активними через дисоціацію значної частини молекул речовин на радикали, іонізацію з утворенням іонів і електронів, а також збудження внутрішніх ступенів свободи атомів, молекул і радикалів.
Так, наприклад, відомий спосіб проведення високотемпературних хімічних реакцій, принаймні, двох реагентів 79 при термічному впливі на них плазмової дуги електричного розряду. У цьому способі плазмова дуга утворюється в реакційній камері між анодом і катодом при подаванні на них високої напруги. Принаймні один з реагентів вводиться в камеру у рідкому стані таким чином, що формується, принаймні, один вихор, одночасно утворюючи та стабілізуючи плазмову дугу. Цей реагент випаровується при високих температурах усередині вихру, а в плазму вводиться інший рідкий чи газоподібний реагент чи кілька реагентів для здійснення хімічної реакції, 20 або декількох реакцій. Другий та інші реагенти можуть вводитися в плазму у виді другого чи безлічі інших вихрів, або попередньо змішаними один з одним - у виді одного загального вихру. Різні цільові продукти видаляють з фіксованих точок плазмової дуги |Патент США Мо3658673). У цьому способі електроди знаходяться в прямому контакті з хімічно активним реакційним середовищем, яке, у сукупності з високими температурами, й електричним розрядом, агресивно впливає на їхні поверхні, викликаючи їхню ерозію, тому електроди швидко с 29 робляться непридатними і потрібна часта, з періодом у кілька годин, їхня заміна. В ході ерозії від поверхні Ге) електродів відокремлюються атоми та мікроскопічні частинки речовин, з яких вони зроблені, які попадають у плазмову дугу, вступають у небажані реакції, утворюючи небажані сполуки, що забруднюють цільовий продукт, і тому неможливо одержання описаним способом особливо чистих речовин. Ерозія електродів наростає зі збільшенням струму електричного розряду, тому на максимальну величину струму в описаному способі о 30 накладаються обмеження, що в свою чергу обмежує його максимальну продуктивність. со
Відомий також спосіб розкладання хімічних промислових відходів у термічній плазмі. Очищувальний газ, який містить принаймні 7095 кисню, подається в реакційну камеру, де він протікає між електродами, на які подають о напругу 100-3000В, що викликає протікання між ними струму величиною 50-1000А і утворення плазмового ою струменя. Хімічні відходи надходять у рідкому виді в плазмовий струмінь у такій кількості, щоб вміст кисню в
Зо плазмовому струмені був принаймні на 3096 вище стехіометрично необхідного для повного згоряння цих - відходів. При цьому необхідно, щоб принаймні протягом 2-х мілісеєунд очищуваний газ знаходився при температурі не нижче 145020. Потім газ піддають швидкому охолодженню до 3002 |Патент США Мо5206879).
Цей спосіб, так саме як і описаний вище, вимагає частої, з періодичністю в кілька годин, заміни електродів, « тому що під впливом кисню, який є сильним окисником, високої напруги і струму великої сили, ерозія електродів З7З 70 протікає з високою швидкістю. Також він у силу вищезгаданих причин накладає обмеження на продуктивність с реалізуючої його установки. "з В описаних способах проведення хімічних реакцій реакційна суміш одночасно є і плазмотвірним газом. Коли хімічно активна реакційна суміш знаходиться між електродами, на які подається висока напруга, крізь неї протікає електричний струм великої потужності, що сприяє миттєвому її розігріву до плазмового стану і підтримує високу температуру плазми. Внаслідок контакту електродів з хімічно активною плазмою відбувається - швидка ерозія електродів і забруднення реакційної суміші. Для зменшення ерозії електродів відомі технічні 1 рішення, у яких плазмотвірним газом є який-небудь інертний газ, наприклад, азот, аргон чи водень.
Плазмотвірний газ перетворюється в плазму, під дією також електричного розряду в спеціально обладнаній о розрядній камері, а потім з'єднується з реакційною сумішшю в реакційній камері, де під активувальним впливом (4) 20 плазми протікають хімічні реакції.
Наприклад, відомий спосіб проведення високотемпературних хімічних реакцій для виробництва порошків с високочистих металів МБ, МБ, МІБ груп періодичної таблиці: титану, вольфраму, молібдену та ін. чи їхніх сплавів, а також здійснення галогенування оксидів металів, синтезу вуглеводнів: ацетилену, бензину та ін., здійснюваний у такий спосіб. У плазмовому генераторі генерується плазмова дуга за допомогою електричного 59 розряду між присутніми в ньому катодом і анодом при протіканні плазмотвірного газу - аргону чи азоту.
ГФ) Одержана плазма з генератора безперервно надходить у реакційну зону, що знаходиться нижче анода, до якої т одночасно вводиться вихідна газоподібна реакційна суміш. При цьому в потоці плазми в реакційній зоні протікає хімічна реакція з утворенням цільового продукту. Далі потік прореагованої реакційної суміші, що містить цільовий продукт, піддається гартуванню і розділяється на кілька різних потоків, що потім об'єднуються в 60 колекторній зоні, з якої видобувається відносно чистий цільовий продукт |(Патент США Мо38407501.
Відомий також спосіб термічного крекінгу речовин, переважно вуглеводнів, з використанням плазми. Плазма генерується в спеціальній розрядній камері, у якій аксіально встановлені анод і катод, між якими утворюється електрична дуга, і через яку протікає потік плазмотвірного газу - водню чи азоту. З розрядною камерою сполучається камера змішання, до якої надходять усі необхідні реагенти, утворюючи вихідну вуглеводневу бо реакційну суміш бажаного складу. Далі вихідна реакційна суміш, нагріта до декількох тисяч градусів, надходить безпосередньо в реакційну камеру, де відбувається утворення цільового продукту при тиску в ній не менше 1атм. Виділення цільового продукту відбувається за допомогою швидкого охолодження прореагованої реакційної суміші холодним гартівним газом у вільному просторі над реакційною камерою. Далі цільовий продукт надходить у скрубер для відмивання газу |Патент США Мо3622493). Ці способи дозволяють дещо подовжити час життя електродів шляхом уповільнення ерозії за рахунок усунення їхнього контакту з хімічно активним середовищем. Однак цілком позбутися від ерозії не представляється можливим, оскільки існують інші її причини: висока напруга, струми великої сили, бомбардування поверхні частинками плазми та ін. При ерозії електродів, як уже відзначалося, атоми і частинки речовини, з якої виконані електроди, потрапляють у плазмотвірний газ і /о надходять разом із плазмою в реакційну зону, вступають у реакції й утворюють небажані речовини.
Отже, всі описані способи проведення хімічних реакцій, у яких в генеруванні плазми беруть участь електроди, не дозволяють одержувати високочисті цільові продукти. Також проведення хімічних реакцій за участю високотемпературної плазми вимагає високих експлуатаційних витрат, які обумовлені змушеними зупинками реактора для заміни електродів, та високих енерговитрат на одержання високотемпературної плазми /5 | високих капітальних витрат, що обумовлені конструкцією реакторів з роздільними камерами, наявністю складного додаткового устаткування, а також використанням дорогих жароміцних матеріалів.
Відомі також стимульовані плазмою способи здійснення хімічних реакцій на твердих поверхнях, до яких, зокрема, відносяться процеси осадження плівок, травлення, випаровування та інші, що протікають у нерівноважній плазмі низького тиску, при порівняно низьких температурах згаданих поверхонь, без рідкої фази.
До них відноситься, наприклад, спосіб проведення хімічних реакцій на твердій поверхні з одержанням твердих тонкоплівкових покрить, відповідно до якого плазмовий потік з місця його генерації розрядним методом надходить у камеру обробки, де розміщається оброблювана поверхня. Одночасно в камеру обробки надходить робочий газ, який містить речовину, що осаджується на оброблюваній поверхні (Патент США Мо4871580). Цей спосіб не дозволяє одержувати високочисті однорідні плівки, тому що в плазму потрапляють частинки матеріалу с ов електродів. Також спосіб характеризується низькою швидкістю осадження плівок, тому він непридатний для обробки великих поверхонь. і)
Відомий інший плазмохімічний спосіб проведення хімічних реакцій на поверхні, у якому плазма, що генерується при атмосферному тиску, надходить в камеру обробки, де розташовується оброблювана поверхня, куди одночасно подається і здатна до полімеризації робоча речовина, що осаджується і покриває оброблювану (су зо поверхню (Патент США Мо4957062). Цей спосіб має ті ж недоліки, що й описаний вище.
Відомий спосіб проведення хімічних реакцій на поверхні, в якому генерування плазми відбувається без о участі електродів - це спосіб осадження плівок гідрогенізованого кремнію (Патент РФ Мо21004771. Відповідно до ю цього способу кремнійвмісний робочий газ із джерела робочого газу надходить до вакуумної реакційної камери у формі надзвукового потоку, безпосередньо в якому створюється електронно-пучкова плазма. Для цього о з5 перпендикулярно потоку робочого газу в реакційну камеру вводять електронний пучок, під дією якого в потоці ча газу утворюються радикали кремнію, що осаджуються на поверхні підкладки, розміщеної на шляху потоку робочого газу. В описаному способі введення сфокусованого пучка електронів у потік робочого газу здійснюється поблизу зрізу сопла, що приводить: а) до значних втрат потужності, що вводиться в газовий потік електронним пучком, через те, що первинні і вторинні електрони залишають зону взаємодії електронного пучка з « потоком робочого газу; б) до поганої відтворюваності процесу активації газу в електронно-пучковій плазмі пт») с через великі градієнти густини газу в струмені в області введення електронного пучка і через невизначеність у розподілі густини струму електронів у поперечному перерізі електронного пучка. ;» У цьому способі також не виключається можливість потрапляння електронів із зони взаємодії пучка з робочим газом в об'єм газового джерела, що приводить до утворення дрібнодисперсних частинок, які, у свою чергу, потрапляючи на поверхню підкладки, погіршують її якість. Також можливе потрапляння активованих -І частинок із зони взаємодії електронного пучка з газовим потоком в об'єм електронної гармати, що приводить до осадження плівок на внутрішніх поверхнях електронної гармати, скорочення терміну її служби і втрат робочої о речовини - гідрогенізованого кремнію. с Винахід вирішує задачу створення такого способу проведення гомогенних і гетерогенних хімічних реакцій з використанням плазми, який забезпечував би одержання високочистих цільових продуктів, характеризувався о високою продуктивністю, низькими, порівняно з відомими способами, капітальними й експлуатаційними о витратами, і високим коефіцієнтом використання вихідних робочих речовин.
Поставлена задача вирішується тим, що пропонується спосіб проведення хімічних реакцій, у якому реакційний газ подають із джерела реакційного газу у вакуумну реакційну камеру, формують в ній надзвуковий ов потік реакційного газу, і активують зазначений потік реакційного газу, діючи на нього електронним пучком з утворенням електронно-пучкової плазми, при цьому надзвуковий потік реакційного газу формують таким чином, (Ф, що на вході у вакуумну реакційну камеру в його центральній частині утворюється зона розрідження зі зниженою ка по відношенню до сусідніх з нею частин густиною, а опромінення реакційного газу зазначеним електронним пучком здійснюють, вводячи його в зазначену зону розрідження. во Принципова схема здійснення способу показана на Фіг.1. Надзвуковий потік реакційного газу (1) формується при надходженні зазначеного газу з джерела реакційного газу (2) через вхідне сопло (3) у вакуумну реакційну камеру (4). Для цього тиск у джерелі реакційного газу підтримують вищим за тиск у вакуумній реакційній камері не менш ніж у 10 разів, при абсолютному тиску в джерелі реакційного газу не менше 0,67кПа (5 тор). Згадане вхідне сопло (3) може бути виконано різної форми: у виді круглого кільцевого отвору, у виді щілини, замкнутої б5 по периметру, у виді профільованих сопел, однак найбільш ефективним є використання профільованого кільцевого вхідного сопла, як показано на Фіг.1.
При надходженні реакційного газу через вхідне сопло у вакуумну реакційну камеру за рахунок перепаду тисків у джерелі реакційного газу й у вакуумній реакційній камері забезпечується формування надзвукового потоку реакційного газу у виді вільного недорозширеного надзвукового струменя зазначеного газу. При цьому реакційний газ, що містить хімічні реагенти, наприклад, моносилан, і носій - інертний газ, подають безперервно в джерело реакційного газу (2) від зовнішнього джерела через систему напуску газу. Реакційний газ проходить через джерело реакційного газу і входить через вхідне профільоване кільцеве сопло (3) у реакційну вакуумну камеру (4). У джерелі реакційного газу, в результаті балансу між надходженням і витратою газу, встановлюється тиск гальмування Р 5. Тиск у джерелі реакційного газу Ро підтримують не менш ніж у 10 разів 7/0 Вищим, ніж тиск у вакуумній реакційній камері Р,, відкачуючи з реакційної камери газ вакуумними насосами. Тому на межі вхідного отвору у вакуумну реакційну камеру утворюється перепад тиску, а при надходженні реакційного газу з його джерела у вакуумну реакційну камеру відбувається його розширення, і за межею вхідного отвору - зрізу вхідного сопла утворюється добре відомий вільний, надзвуковий, недорозширений газовий струмінь - зазначений надзвуковий потік реакційного газу. Внаслідок витікання надзвукового потоку реакційного газу з 7/5 Вхідного сопла кільцевої форми в центральній частині зазначеного потоку утворюється зона розрідження (5) зі зниженою, порівняно із сусідніми з нею частинами, густиною. В міру віддалення від зрізу вхідного сопла, тобто при розширенні потоку реакційного газу у вакуумній реакційній камері, його густина знижується і реакційний газ охолоджується, а швидкість спрямованого руху молекул у струмені досягає граничних значень. Оскільки реакційний газ розширюється при надходженні у вакуумну реакційну камеру з кінцевим тиском, не рівним нулю, то його молекули зіштовхуються з молекулами фонового газу зазначеної камери. Ці зіткнення приводять до утворення характерної хвильової структури - бічної ударної хвилі і диска Маха. Уздовж межі потоку реакційного газу відбувається змішання реакційного газу з фоновим газом. Розміри хвильової структури залежать від геометрії вхідного отвору чи сопла, його розмірів і співвідношення тиску в джерелі реакційного газу Ро і тиску у вакуумній реакційній камері Р,. Чим більше величина цього співвідношення, тим більше розміри надзвукового сч г струменя - зазначеного потоку реакційного газу.
Необхідна для ініціювання "хімічних реакцій дисоціація й активація молекул хімічних речовин, що містяться і) в реакційному газі, відбувається в електронно-пучковій плазмі. Для її одержання у вакуумну реакційну камеру вводять електронний пучок (6), сформований в електронній гарматі (7), причому зазначений електронний пучок вводять у потік реакційного газу під довільним кутом А до осі зазначеного потоку, однак найбільш ефективним є о зо введення електронного пучка уздовж осі потоку реакційного газу, як показано на Фіг.1. При цьому енергію первинних електронів пучка вибирають такої величини, щоб усі первинні електрони деградували і віддали свою о енергію потоку реакційного газу. Зміну енергії пучка електронів здійснюють шляхом зміни прикладеного ю прискорювального потенціалу електронної гармати від зовнішнього джерела. Величина необхідної енергії електронного пучка визначається як витратою реакційного газу, так і його складом. Величина струму о зв електронного пучка регулюється зовнішнім джерелом і визначає, при вибраній енергії електронного пучка, ї- величину потужності, що вводиться в потік реакційного газу. Від величини цієї потужності залежить кількість активованих частинок (радикалів, іонів, збуджених частинок) у потоці реакційного газу. В результаті взаємодії первинних електронів електронного пучка з молекулами реакційного газу відбувається активація його молекул з народженням вторинних електронів. Частина зазначених вторинних електронів, що мають енергію вище порога « іонізації, народжують вторинні електрони наступних поколінь, які у свою чергу народжують вторинні електрони Ше) с наступних поколінь і т.д. Енергія первинних і вторинних електронів, а також енергія іонів, що утворилися, і
Й збуджених частинок реакційного газу витрачається на дисоціацію його молекул на радикали, збудження и?» внутрішніх ступенів свободи (електронних, коливальних і обертальних) і пряме нагрівання реакційного газу.
Таким чином, у вакуумній реакційній камері в області взаємодії електронного пучка і реакційного газу утворюється хімічно активна електронно-пучкова плазма (8). Частка відданої первинними електронами енергії -І залежить від прискорювального потенціалу електронної гармати, розмірів потоку реакційного газу, рівня і розподілу густини молекул газу, на яких відбувається розсіювання первинних електронів. о Функція розподілу електронів по енергіях (ФРЕЕ), будучи найважливішою характеристикою плазми, дозволяє с розрахувати швидкість протікання того чи іншого процесу. Частка електронів заданої енергії для електронно-пучкової плазми може бути зменшена чи збільшена на будь-яку величину в залежності від струму о електронного пучка, у той час як у розрядній плазмі зміна струму приводить до зміни ФРЕЕ, а сама ФРЕЕ о обмежена температурою на рівні декількох еВ. В області енергій, менших ТОеВ, має місце максвелівський розподіл електронів по енергіях, ФРЕЄЕ в електронно-пучковій плазмі і розрядній плазмі близькі за формою, у той час як в області енергій білоше 10еВ у електронно-пучковій плазмі значно більше вторинних електронів. в Швидкість народження частинок у процесах іонізації, дисоціації, збудження і т.д. визначається співвідношенням п еМеПсо; де Пе - кількість електронів заданої енергії; Ме - їхня швидкість; п - густина іФ) відповідного компонента газу в суміші (наприклад, зіН,); с) 7 перетин відповідного процесу (іонізації, ко дисоціації, збудження і т.д.-). Тому ФРЕЕ визначає швидкості протікання процесів у плазмі. Наприклад, швидкість осадження плівок а-зі:Н у плазмі розряду визначається потоком радикалів ЗіН з, що набігає на бо поверхню підкладки. У свою чергу, швидкість народження радикалів ЗіН з пропорційна зазначеному вище добутку. В електронно-пучковій плазмі швидкість дисоціації значно вище, ніж у розрядній, за інших рівних умов, тому що вона містить помітно більшу кількість електронів з енергією більше порога згаданого процесу. У плазмі, як у розрядній, так і в електронно-пучковій, мається значно більше електронів з енергією менше порога дисоціації. Ці електрони не беруть участі у дисоціації. Для того щоб згадані електрони могли брати участь у 65 дисоціації, необхідно прикласти зовнішнє електричне поле, щоб зсунути ФРЕЕ в область великих енергій, що може бути здійснене в електронно-пучковій плазмі, на відміну від розрядної плазми.
Важливою властивістю електронно-пучкової плазми є те, що основний внесок у швидкість дисоціації визначається не первинними (їхній внесок «195), а вторинними електронами. Ця обставина висуває певні вимоги до геометрії введення електронного пучка в потік реакційного газу для того, щоб вторинні електрони не встигли вийти з потоку реакційного газу до того, як віддадуть свою енергію на дисоціацію газу. Тому доцільно вводити електронний пучок у вакуумну реакційну камеру таким чином, щоб він надходив уздовж осі потоку безпосередньо в розріджену частину потоку реакційного газу - зону розрідження (5), яка має нижчу густину порівняно з густиною сусідніх ділянок потоку. Як джерело електронного пучка можуть бути використані електронні пушки різного типу: термокатодні, газорозрядні, плазмові і т.д., у тому числі й електронні пушки з 7/0 порожнім катодом.
Взаємодія нейтрального потоку реакційного газу зі згаданою електронно-пучковою плазмою незначно змінює траєкторію руху молекул потоку, тому активовані в плазмі частинки реакційного газу продовжують рухатися в тому же напрямку, що і його неактивовані молекули. Хімічні реагенти, що знаходяться в електронно-пучковій плазмі у виді іонів та радикалів, вступають у газовій фазі в хімічні реакції з утворенням цільового продукту.
Видобування цільового продукту для гомогенних реакцій, що проводяться у газовій фазі, може здійснюватися будь-якими відомими методами, наприклад, конденсацією. Якщо до складу реакційного газу входять молекули речовини, придатної для нанесення плівок, (наприклад, молекули моносилану ЗІіН 4) і на шляху активованого потоку реакційного газу в реакційній камері встановлена підкладка (9) з відповідної речовини (наприклад, стали, пластику) під кутом В до осі потоку (сопла), то на поверхні підкладки протікає гетерогенна хімічна реакція з утворенням плівки цільового продукту, наприклад, кремнію.
Конвективне перенесення активованих речовин у надзвуковому струмені потоку реакційного газу на відміну від дифузійного, яка здійснюється в реакторах з активацією реакційного газу в газовому розряді, забезпечує: - зменшення часу перебування активних частинок реакційного газу в реакційній камері, що скорочує число небажаних зіткнень цих частинок між собою. Наприклад, час, протягом якого активована електронним ударом сч об частинка досягає подложки, на яку осаджується речовина, у 100 разів менше, ніж у варіанті з дифузійним перенесенням, що значно зменшує імовірність утворення дрібнодисперсних частинок, які приводять до дефектів і) одержуваних речовин, чи осаджуваної плівки; - незалежність параметрів реакційного газу від умов у вакуумній реакційній камері, і відомий зв'язок між параметрами реакційного газу в реакційній камері і джерелі реакційного газу, що визначає відтворюваність і о зо передбачуваність процесу одержання цільових продуктів чи росту плівок.
Електронно-пучкова активація молекул реакційного газу забезпечує: і, - можливість незалежної зміни енергії і потужності джерела активації; ю - більш високі швидкості активації (зокрема, дисоціації) молекул, ніж у розрядній плазмі через наявність в електронно-пучковій плазмі високоенергетичних вторинних електронів; о - можливість додаткового прискорення процесу активації шляхом прикладання електромагнітного полю до ї- електронно-пучкової плазми для прискорення й утримування в об'ємі плазми повільних вторинних електронів.
Описаний спосіб проведення хімічних реакцій має ряд переваг, основними з яких є: - висока швидкість протікання хімічних реакцій, обумовлена надшвидким компактним підведенням потужності від електронного пучка до реакційної суміші, у якій з високою швидкістю утворюються радикали і збуджені « частинки; шщ с - низькі енерговитрати, обумовлені як великою у порівнянні з відомими способами кількістю електронів у електронно-пучковій плазмі, здатних дисоціювати молекули, так і високою швидкістю протікання хімічних ;» реакцій, що приводить до мінімального теплообміну із зовнішнім навколишнім середовищем; - абсолютна чистота процесу, обумовлена тим, що в реакторі, який його реалізує, відсутні деталі, що нагріваються, а радикали утворюються усередині газового струменя, що перешкоджає проникненню молекул -І фонового газу з вакуумної реакційної камери.
При проведенні гетерогенних хімічних реакцій, переважно для нанесення рівномірних по товщині плівок на 1 тверді поверхні підкладок, спосіб може бути модифікований відповідно до приведених нижче варіантів. с Найпростіший варіант приведений на Фіг.2. Осі струменів з одного чи декількох джерел реакційного газу 5р бпрямовані перпендикулярно площині підкладки, виконаної у вигляді стрічки. Підкладка-стрічка переміщається із о заправного ролика на прийомний ролик. Одне чи кілька джерел реакційного газу о пересуваються перпендикулярно стрічці у межах розмірів потоку реакційного газу. Переміщенням стрічки і джерел досягається рівномірне за товщиною осадження плівок на поверхні підкладки. Можливим для досягнення цієї ж мети є зворотно-поступальний рух усього механізму переміщення стрічки при нерухомих джерелах реакційного газу. Кількість джерел реакційного газу, їхня інтенсивність (сумарна по площі швидкість осадження) можуть бути визначені, виходячи з бажаної товщини плівки, ширини стрічки і загальної (Ф, продуктивності установки. ка Як уже згадувалося, на Фіг.2 взаємне розташування джерел реакційного газу і підкладки та напрямки їхнього переміщення є ортогональними. Але можливе їхнє взаємне розміщення під довільними кутами. Наприклад, для бо досягнення більшої рівномірності по товщині плівки можливі і не ортогональні розташування та переміщення елементів установки.
Інший варіант взаємного розташування джерел реакційного газу й оброблюваних підкладок приведений на
Фіг.3 (а-в), у якому потік реакційного газу надходить у зазор між двома стрічками-підкладками. Таким способом подачі активованих частинок на підкладку досягається більший, ніж у варіанті, представленому на Фіг.2, 65 коефіцієнт використання реакційного газу, тому що осадження здійснюється на двох підкладках, і, крім того, шляхом підбирання зазору між підкладками можна осаджувати велику частину активованих у потоці реакційного газу частинок. Рівномірність по товщині плівки досягається механічним переміщенням або однієї стрічки-підкладки, або обох. Також у цьому варіанті можливо додатково механічно переміщати джерела реакційного газу. Так, наприклад, на Фіг.З(в) джерела реакційного газу розміщені одне навпроти одного.
Взаємодія струменів потоків реакційного газу в зазорі між двома стрічками-підкладками приводить до повороту потоків у напрямку, паралельному стрічці Причому положення зони взаємодії струменів залежить від інтенсивності джерел реакційного газу. Зміною інтенсивності джерел реакційного газу можливо здійснити зміну положення зони взаємодії струменів, тим самим без руху зазначених джерел можливе одержання рівномірної по товщині плівки при максімальному коефіцієнті використання реакційного газу. 70 У приведених вище прикладах модифікації способу поверхня оброблюваної підкладки має плоску форму, однак спосіб є придатним і для інших форм підкладок, наприклад, у вигляді циліндра, з осадженням плівок як на внутрішню, так і на зовнішню поверхню.
Можливі й інші варіанти модифікації описаного способу проведення хімічних реакцій.
На Фіг.1 приведена принципова схема здійснення способу, де: 1 - надзвуковий потік реакційного газу, 2 - /5 джерело реакційного газу, З - вхідне сопло, 4 - вакуумна реакційна камера, 5 - зона розрідження, 6 - електронний пучок, 7 - електронна гармата, 8 - електронно-пучкова плазма, 9 - підкладка.
На Фіг.2 приведений варіант одержання рівномірних плівок на підкладках при механічному переміщенні джерел реакційного газу.
На Фіг.3 приведений варіант одержання рівномірних плівок на підкладках при механічному переміщенні Підкладок і газодинамічному керуванні потоками реакційного газу.
На Фіг.А4 приведена схема установки з кільцевим джерелом реакційного газу, об'єднаним з електронною гарматою, де: 1 - катод електронної гармати, 2 - анод електронної гармати, З - ізолятор, 4 - корпус електронної гармати і джерела реакційного газу, 5 - ізолятор, 6 - трубка для подачі охолоджувача в електронну гармату, 7 - трубка для подачі газоподібного гелію в область порожнього катода електронної гармати, 8 - сч трубка для видалення охолоджувача з електронної гармати, 9 - патрубок для вакуумної відкачки об'єму електронної гармати, 10 - постійні кільцеві магніти, 11 - трубка подачі захисного газу (гелію, водню) до і) внутрішнього кільцевого сопла, 12 - корпус кільцевих джерел захисного і реакційного газів, 13 - трубка подачі реакційного газу, 14 - кільцева форкамера - джерело реакційного газу, 15 - ізолятор, 16 - охолоджувач електронної гармати, 17 - екстрактор електронної гармати, 18 - вхідне кільцеве сопло для захисного газу, 19 - о зо Кільцева форкамера - джерело захисного газу, 20 - відкачуваний об'єм електронної гармати, 21 - порожній катод, 22 - отвір в аноді, 23 - отвір в екстракторі, 24 - кріплення сітки, 25 - сітка для подачі потенціалу, і 26 - електронний пучок, 27 - вхідне кільцеве сопло для реакційного газу, 28 - зона розрідження, 29 - ю надзвуковий потік реакційного газу, ЗО - вісь потоку реакційного газу й електронного пучка, 31 - підкладка.
Кращий варіант здійснення винаходу. о
Приклад 1 ї-
Для нанесення плівки кремнію на поверхню підкладки з нержавіючої сталі використовують реакційний газ, що містить моносилан 5ІН, і аргон Аг як носій.
Установка для нанесення плівки на підкладку виконана у відповідності до схеми, приведеної на Фіг.1. Вона містить реакційну вакуумну камеру (4), кільцеве джерело реакційного газу (2), об'єднане з електронною « гарматою (7). Більш детально установка, що містить кільцеве джерело реакційного газу, об'єднане з тв) с електронною гарматою, зображена на Фіг.4. ц У вакуумній реакційній камері підтримують тиск 0,0013кПа (102тор) шляхом безперервної відкачки газу з її "» об'єму. В об'єм плазмової електронної гармати з порожнім катодом від зовнішньої системи напуску здійснюють подачу гелію з витратою 5Осм/хв. Від зовнішнього джерела розряду подають електричний потенціал величиною 0,2-0,З3кеВ між катодом (1) і анодом (2). В результаті у порожньому катоді (21) виникає тліючий розряд. -і Постійні кільцеві магніти (10) служать для збільшення густини електронів в осьовій частині порожнього катода. сл Газовий розряд у порожньому катоді служить емітером електронів. Витягування з розряду і прискорення електронів здійснюють, прикладаючи негативний потенціал 2-5кеВ між електричним ізольованим електродом (2) 1 і екстрактором (17) - заземленим корпусом (4) джерела реакційного газу. Прискорені електрони через отвори с 50 (22) ії (23) потрапляють у потік реакційного газу кільцевої форми через розріджену приосьову зону (28) зазначеного потоку. Реакційний газ подають через трубку (13) у кільцеву форкамеру - джерело реакційного газу 62 (14) і зовнішнє кільцеве сопло (27) з витратою 12 л/хв. Щоб запобігти проникненню в об'єм електронної гармати радикалів кремнію до внутрішнього кільцевого сопла (18) через трубку (11) і кільцеву форкамеру - джерело захисного газу (19) подають гелій від зовнішнього джерела з витратою 2 л/хв. Для додаткового прискорення вторинних електронів на кільцеву сітку (255 подають позитивний потенціал 60 В. Реакційний газ подають в реакційну камеру через вхідне сопло (27), виконане у формі сопла Лаваля кільцевої форми, під тиском, щоб він о надходив у вакуумну реакційну камеру з формуванням надзвукового газового потоку, у внутрішній частині якого іме) на вході в камеру утворюється зона розрідження (28), у якій густина потоку нижче густини прилеглих до неї ділянок. В цю зону розрідження, уздовж осі сопла, вводять електронний пучок (26), сформований електронною 60 гарматою. В результаті взаємодії електронного пучка з реакційним газом у потоці реакційного газу утворюється електронно-пучкова плазма, відбувається дисоціація й активація молекул моносилану ЗіІН у; і збудження внутрішніх ступенів свободи молекул, атомів і радикалів реакційного газу. Кремнійвмісні радикали зЗіНу, породжені в електронно-пучковій плазмі, разом з потоком нейтральних неактивованих молекул рухаються в напрямку підкладки (31), встановленої по напрямку руху реакційного газу за зоною активації, як зображено на 65 Фіг, або паралельно осі сопла. На поверхні відбуваються адсорбція активованих частинок і різноманітні гетерогенні хімічні реакції в результаті яких на оброблюваній поверхні утворюється плівка кремнію.
Температуру підкладки регулюють за допомогою нагрівача, а контроль температури здійснюють термопарою.
При цьому матеріал і температура підкладки визначають структуру одержуваних шарів кремнію. Так, при температурі підкладки 2502 на ній утворюється плівка аморфного кремнію. При температурі підкладки 25020 на підкладці, віддаленій від зони утворення плазми, утворюється плівка нанокристалічного кремнію, тобто кремнію з кристалічними включеннями нанометрових розмірів. При температурі підкладки 640 «Сб на неорієнтуючих підкладках (нержавіюча сталь, кераміка) формується плівка мікрокристалічного кремнію з розмірами кристалів більше 10Онм, при цьому швидкість росту досягає 2Онм/с. При заміні підкладки на підкладку з монокристалічного кремнію при температурі підкладки 6409 відбувається гомоепітаксія (ріст 70 монокристалічного кремнію) з одержанням плівки епитаксіального кремнію товщиною 1Омкм зі швидкістю 12нм/с.
Приклад 2
Здійснюють гідрування тетрахлориду кремнію 5іСІ; у трихлорсилан 5іІНСіІз. Для цього використовують установку, зображену на Фіг.4 і докладно описану в Прикладі 1, із кварцовою трубою циліндричного перерізу, встановленою замість підкладки (31). Вісь циліндра збігається з віссю потоку реакційного газу. У кільцеве 75 джерело як реакційний газ через трубку (13) у форкамеру (14) вводять суміш тетрахлориду кремнію і водню в мольному співвідношенні тетрахлорид кремнію : водень, рівному 1:4. Подачу реакційного газу здійснюють від спеціального випарника. Електронний пучок з прискорювальним потенціалом 2кеВ вводять у потік реакційного газу в зону розрідження. На виході з вакуумної реакційної камери встановлений засіб для відбирання проб, у якому збирають оброблену в плазмі пробу реакційного газу. Як засіб для відбирання проби використовують Кріогенну пастку, охолоджувану до температури рідкого азоту, у якій відбувається конденсація реакційного газу. Аналіз складу реакційного газу в пробі здійснюють мас-спектрометром. З аналізу проб визначають мольне співвідношення, яке, наприклад, при питомій введеній потужності 2кДж/г (2кВт/гсек) складає 0,2-0,36.
У той же час зазначене співвідношення згідно з термодинамічним розрахунком при зазначених умовах складає величину 0,18-0,4. Це означає, що експериментальні дані дуже близькі до рівноважного СМ термодинамічного розрахунку і підтверджує, що в пропонованому способі перехід від рівноважного стану о вихідного реакційного газу до кінцевого рівноважного стану відбувається дуже швидко, практично без теплообміну із зовнішнім навколишнім середовищем. Порівняння по енерговитратах описаного способу з аналогічними рішеннями здійснення плазмохімічного гідрування тетрахлориду кремнію в трихлорсилан показує, що енерговитрати при такому ж рівні гідрування як мінімум у чотири рази менше. (ав)
Цільовий продукт - трихлорсилан 5іІНСІз виділяють шляхом конденсації в камері конденсації, куди реакційний газ надходить з вакуумної реакційної камери. о
Приклад З юю
Здійснюють одержання чистого полікристалічного кремнію. Процес здійснюють за таких саме умов, яку
Прикладі 1, на установці, зображеній на Фіг.4. Підкладку циліндричної форми з металевої фольги поміщають у о циліндричну кварцову трубу, що нагрівається, вісь якої збігається з віссю потоку реакційного газу, що містить ї-
ЗіН,; і Не. Підкладка має циліндричну форму для того, щоб на ній осаджувалося якомога більше активованих у плазмі частинок кремнію, на границі - всі такі частинки. За вагою кремнію, осадженого на поверхні підкладки, визначають питомі енерговитрати і коефіцієнт перетворення газоподібного моносилану у полікристалічний « кремній на поверхні підкладки. При потенціалі прискорювального електронного пучка 2кеВ, струмі пучка О,ЗА, 70 витраті реакційного газу 12л/хв і температурі підкладки 7502 питомі енерговитрати складають 200кДж на 1г - с кремнію, при коефіцієнті використання моносилану 4595. Протягом 10 хвилин роботи установки на зазначеній и підкладці одержаний шар кремнію товщиною 32мкм, який відшаровують від підкладки після П охолодження. На є» матеріалах підкладок, з температурним коефіцієнтом лінійного розширення, що дорівнює зазначеному коефіцієнту для кремнію, одержані шари кремнію не відшаровуються. Для одержання товстіших шарів кремнію використовують кілька ідентичних струминних джерел з нанесенням шарів на рухому поновлювану підкладку. -і Відшаровування одержаних шарів здійснюють у результаті різкого охолодження стрічки підкладки на виході з сл реакційної камери. Чистий кремній, що відшаровується, видаляють зі стрічки підкладки.
Даний спосіб може застосовуватися в хімічній промисловості і сполучених з нею галузях для виробництва 1 хімічно чистих речовин, в електроніці великих площ і оптиці для нанесення на них твердотельних плівок і сю 50 модифікації поверхонь шляхом травлення, у порошковій металургії для одержання порошків чистих металів, для одержання керамічних порошків, зокрема оксидів, нітридів, карбідів металів і напівпровідників. Описаний 62 спосіб завдяки своїй універсальності може бути базовим для різних технологій: очищення підкладок, створення легованих і нелегованих шарів, виробництва тонкоплівкових сонячних елементів чи інших тонкоплівкових пристроїв на великих площах підкладок. Для здійснення способу може, наприклад, використовуватися установка, зображена на Фіг.4.
Ф)
Ге

Claims (5)

  1. Формула винаходу 60 1. Спосіб проведення хімічних реакцій, який полягає в тому, що подають реакційний газ з джерела реакційного газу у вакуумну реакційну камеру, формують в ній надзвуковий потік реакційного газу і активують зазначений надзвуковий потік реакційного газу шляхом дії на нього електронним пучком з утворенням електронно-пучкової плазми, який відрізняється тим, що зазначений надзвуковий потік реакційного газу формують таким чином, що на вході у вакуумну реакційну камеру в його центральній частині утворюється зона 65 розрідження зі зниженою по відношенню до сусідніх з нею частин густиною, а вплив на надзвуковий потік реакційного газу електронним пучком здійснюють, вводячи зазначений електронний пучок у зазначену зону розрідження.
  2. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що надзвуковий потік реакційного газу формують, підтримуючи тиск у джерелі реакційного газу не менше ніж у 10 разів вищим за тиск у вакуумній реакційній камері.
  3. З. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що абсолютний тиск у джерелі реакційного газу підтримують не менше 5 тор.
  4. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що надзвуковий потік реакційного газу на вході у вакуумну реакційну камеру має в перерізі, перпендикулярному його осі, кільцеподібну, краще, кільцеву, форму.
  5. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що діють електронним пучком на надзвуковий потік реакційного 7/о тазу, направляючи його уздовж осі зазначеного надзвукового потоку реакційного газу. с щі 6) «в) (зе) ІС) ІС) і - -
    с . и? -І 1 1 о) 70 (42) іме) 60 б5
UA20040907452A 2002-02-12 2002-05-09 Спосіб проведення гомогенних і гетерогенних хімічних реакцій з використанням плазми UA75530C2 (uk)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002103408/12A RU2200058C1 (ru) 2002-02-12 2002-02-12 Способ проведения гомогенных и гетерогенных химических реакций с использованием плазмы
PCT/RU2002/000410 WO2003068383A1 (fr) 2002-02-12 2002-09-05 Procede pour effectuer des reactions chimiques homogenes et heterogenes utilisant le plasma

Publications (1)

Publication Number Publication Date
UA75530C2 true UA75530C2 (uk) 2006-04-17

Family

ID=20255246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
UA20040907452A UA75530C2 (uk) 2002-02-12 2002-05-09 Спосіб проведення гомогенних і гетерогенних хімічних реакцій з використанням плазми

Country Status (12)

Country Link
US (1) US20050227020A1 (uk)
EP (1) EP1491255B1 (uk)
JP (1) JP2005516766A (uk)
KR (1) KR20050004777A (uk)
CN (1) CN1313198C (uk)
AU (1) AU2002332200B2 (uk)
CA (1) CA2475589A1 (uk)
DE (1) DE60234720D1 (uk)
ES (1) ES2337987T3 (uk)
RU (1) RU2200058C1 (uk)
UA (1) UA75530C2 (uk)
WO (1) WO2003068383A1 (uk)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006032568A1 (de) * 2006-07-12 2008-01-17 Stein, Ralf Verfahren zur plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung an der Innenwand eines Hohlkörpers
DE102006043929B4 (de) * 2006-09-14 2016-10-06 Spawnt Private S.À.R.L. Verfahren zur Herstellung von festen Polysilanmischungen
EP2073249B1 (en) * 2007-12-21 2012-06-13 Applied Materials, Inc. Linear electron source and application of the electron source for charging foils
IT1399182B1 (it) * 2010-01-28 2013-04-11 Pattini Metodo e apparecchiatura per il trasporto di fasci di elettroni
US10507439B2 (en) * 2010-06-07 2019-12-17 University Of Florida Research Foundation, Inc. Plasma induced fluid mixing
US8895115B2 (en) * 2010-11-09 2014-11-25 Southwest Research Institute Method for producing an ionized vapor deposition coating
US8765234B2 (en) * 2011-07-29 2014-07-01 Applied Materials, Inc. Electron beam plasma chamber
ITBO20120320A1 (it) * 2012-06-11 2013-12-12 Libuse Skocdopolova Un apparato ed un metodo per la grenerazione di elettroni e di plasma da un getto di gas
US9499921B2 (en) 2012-07-30 2016-11-22 Rayton Solar Inc. Float zone silicon wafer manufacturing system and related process
US9404198B2 (en) * 2012-07-30 2016-08-02 Rayton Solar Inc. Processes and apparatuses for manufacturing wafers
RU2595162C2 (ru) * 2014-12-30 2016-08-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (МФТИ) Способ получения низкомолекулярного водорастворимого хитина в электронно-пучковой плазме
RU2612267C2 (ru) * 2015-07-28 2017-03-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Способ ввода пучка электронов в среду с повышенным давлением
DE102016215906A1 (de) * 2016-08-24 2018-03-01 Emco Water Patent Gmbh Vorrichtung aufweisend eine Reaktoranlage und Verfahren zur strömungsdynamisch-elektrolytischen Behandlung fluider oder gasförmiger Medien oder Gemischen aus Beiden in der Reaktoranlage und Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens
KR102646623B1 (ko) * 2017-01-23 2024-03-11 에드워드 코리아 주식회사 플라즈마 발생 장치 및 가스 처리 장치
KR102686242B1 (ko) 2017-01-23 2024-07-17 에드워드 코리아 주식회사 질소 산화물 감소 장치 및 가스 처리 장치
CN113752534A (zh) * 2021-07-19 2021-12-07 长春理工大学 一种基于低温等离子体表面改性的非球面反射镜镀膜方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3622493A (en) * 1968-01-08 1971-11-23 Francois A Crusco Use of plasma torch to promote chemical reactions
CH525705A (de) * 1968-12-24 1972-07-31 Lonza Ag Verwendung von vortex-stabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen
US3840750A (en) * 1972-11-06 1974-10-08 Plasmachem Plasma apparatus for carrying out high temperature chemical reactions
RU2032765C1 (ru) * 1987-04-03 1995-04-10 Фудзицу Лимитед Способ нанесения алмазного покрытия из паровой фазы и устройство для его осуществления
CN1029135C (zh) * 1987-04-03 1995-06-28 富士通株式会社 汽相淀积金刚石的装置
GB8713986D0 (en) * 1987-06-16 1987-07-22 Shell Int Research Apparatus for plasma surface treating
NL8701530A (nl) * 1987-06-30 1989-01-16 Stichting Fund Ond Material Werkwijze voor het behandelen van oppervlakken van substraten met behulp van een plasma en reactor voor het uitvoeren van die werkwijze.
US5028452A (en) * 1989-09-15 1991-07-02 Creative Systems Engineering, Inc. Closed loop system and process for conversion of gaseous or vaporizable organic and/or organo-metallic compounds to inert solid matrix resistant to solvent extraction
GB9017146D0 (en) * 1990-08-03 1990-09-19 Tioxide Group Services Ltd Destruction process
WO1994017899A1 (en) * 1993-02-05 1994-08-18 Massachusetts Institute Of Technology Tunable compact electron beam generated plasma system for the destruction of gaseous toxic compounds
RU2100477C1 (ru) * 1994-10-18 1997-12-27 Равель Газизович Шарафутдинов Способ осаждения пленок гидрогенизированного кремния
US5571332A (en) * 1995-02-10 1996-11-05 Jet Process Corporation Electron jet vapor deposition system
DE19546187C2 (de) * 1995-12-11 1999-04-15 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Einrichtung zur plasmagestützten Oberflächenbehandlung
CN2256886Y (zh) * 1996-02-02 1997-06-25 吉林大学 磁控弧光放电离子镀装置
RU2132727C1 (ru) * 1996-04-18 1999-07-10 Объединенный Институт Ядерных Исследований Система разложения токсичных соединений
CN1077608C (zh) * 1999-07-02 2002-01-09 中国科学院物理研究所 一种生长高定向bcn纳米管材料的方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005516766A (ja) 2005-06-09
KR20050004777A (ko) 2005-01-12
US20050227020A1 (en) 2005-10-13
RU2200058C1 (ru) 2003-03-10
EP1491255B1 (en) 2009-12-09
DE60234720D1 (de) 2010-01-21
AU2002332200B2 (en) 2007-08-09
EP1491255A1 (en) 2004-12-29
WO2003068383A1 (fr) 2003-08-21
EP1491255A4 (en) 2009-03-25
CN1662298A (zh) 2005-08-31
CN1313198C (zh) 2007-05-02
AU2002332200A1 (en) 2003-09-04
CA2475589A1 (en) 2003-08-21
ES2337987T3 (es) 2010-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
UA75530C2 (uk) Спосіб проведення гомогенних і гетерогенних хімічних реакцій з використанням плазми
US4749587A (en) Process for depositing layers on substrates in a vacuum chamber
US20040129212A1 (en) Apparatus and method for delivery of reactive chemical precursors to the surface to be treated
RU2455119C2 (ru) Способ получения наночастиц
US5643365A (en) Method and device for plasma vapor chemical deposition of homogeneous films on large flat surfaces
Bárdoš et al. Thin film processing by radio frequency hollow cathodes
KR20030011399A (ko) 플라즈마 강화 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막형성방법
US20200123645A1 (en) Plasma Process and Reactor for the Thermochemical Treatment of the Surface of Metallic Pieces
EP0969120B1 (en) Method for plasma deposition
RU2475298C1 (ru) Способ получения нанопорошков из различных электропроводящих материалов
RU2100477C1 (ru) Способ осаждения пленок гидрогенизированного кремния
Mishin et al. Plasmachemical synthesis in low-temperature atmospheric pressure plasma
RU2792526C1 (ru) Устройство для нанесения алмазных покрытий
RU2788258C1 (ru) Газоструйный способ осаждения алмазных пленок с активацией в плазме свч разряда
JPS6265997A (ja) ダイヤモンド合成方法およびその装置
Fukumasa et al. Thermal Plasma Processing-Syntheses of Diamond and ß"-Alumina
Locker Materials produced by electrical discharges
Bachmann Plasma chemical vapor deposition of diamond films
JPH0465906B2 (uk)
JP2007161495A (ja) フラーレンベース材料の製造方法及び製造装置