Способ контроля газофазных химических реакций на полупроводниках

 

Изобретение относится к физическим методам исследования химических реакций и может быть использовано в устройствах контроля химических процессов в газовой фазе и на границе раздела газ - полупроводник и жидкость - полупроводник. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия . Два фотоэлектрических датчика, включенных по разностной схеме, помещают в реакционный объем и облучают светом, вызывающим в них фотоэлектрические эффекты. Затем схему приводят в состояние баланса, компенсируя фотоэлектрический сигнал с одного датчика сигналом с другого. Далее один из датчиков изолируют от потока реагирующих частиц и в эти промежутки времени измеряют разностный фотоэлектрический сигнал, по которому определяют скорость химической реакции. 1 ил. с (Л со СП ю 00

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (50 4 G 01 J 1/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4018488/31-25 (22) 04.02.86 (46) 07.12.87. Бюл. Ф 45 (71) Ждановский металлургический институт (72) А.E. Кабанский (53) 535.24 (088.8) (56) Лавренко В.А. Рекомбинация атомов водорода на поверхностях твердых тел. — Киев, Наукова думка, 1973, с. 209.

Арсламбеков В.А. и Смирнов Г.В.

Электронные процессы на поверхности и в монокристаллических слоях полупроводников. Труды симп. Новосибирск, Наука, 1967, с. 7. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГАЗОФАЗНЫХ ХИМИ ЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ НА ПОЛУПРОВОДНИКАХ (57) Изобретение относится к физическим методам исследования химических

„„SU„„1 5 28 А1 реакций и может быть использовано в устройствах контроля химических процессов в газовой фазе и на границе раздела газ — полупроводник и жидкость — полупроводник. Цель изобретения — повышение точности и быстродействия. Два фотоэлектрических датчика, включенных по разностной схеме, помещают в реакционный объем и облучают светом, вызывающим в них фотоэлектрические эффекты. Затем схему приводят в состояние баланса, компенсируя фотоэлектрический сигнал с одного датчика сигналом с другого.

Далее один из датчиков изолируют от потока реагирующих частиц и в эти промежутки времени измеряют разностный фотоэлектрический сигнал, по которому определяют скорость химической реакции. 1 ил.

7728

20

30

40

55

Изобретение относится к физикохимическому анализу и может быть применено для контроля химических процессов в газовой фазе и на границе разцела газ — полупроводник.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия фотоэлектрического метода контроля химических реакций.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит два фотоэлектрических датчика 1 и 2 (тонкие пластинки из германия, кремния или других узкозонных полупроводников}, включенных в мостовую схему, источник 3 постоянного напряжения, микровольтметр 4 фотокомпенсационный, источник 5 света и подсоединенный к нему источник 6 постоянного тока, а также подстроечный резистор 7.

Конструктивно два датчика выполнены в виде монокристаллической пластины за счет соответствующего расположения контактов. Это позволяет использовать один источник света, обеспечить миниатюрность устройства, свести ошибку, связанную с различным . разогревом датчиков в процессе химической реакции к минимуму. Пластина . с датчиками своей нерабочей поверхностью герметически крепится к юрпусу напротив источника 5 света, например светодиода, помещенного внутри кОрпуса. Таким образом, освещаемая поверхность датчиков изолируется от реагирующей среды и сохраняет свои характеристики в течение всего времени измерений.

Рабочая поверхность датчиков изолируется от потока реагирующих час тиц с помощью шторок (не показаны).

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале производится подготовка устройства к работе. Для этого источник 5 света эапитывают от источника постоянного (или переменного) напряжения для фотовозбуждения датчиков.

Под действием постоянного (или модулированного) светового потока в датчиках 1и 2 индуцируются фотоэлектрические эффекты, в частности фотопроводимость. При опущенных шторках сопротивлением 7 производится балансировка схемы так, чтобы регистрирую щий прибор 4 показал нулевое эначение. Аналогичная процедура подготовки датчика к работе производится при помещении устройства в реакционную зону. вначале измерений и в некоторые. промежуточные моменты времени.

Далее открывают обе шторки и выжидают некоторое время для установления химического равновесия на поверхностях датчиков. Из-за возможного разбаланса мостовой схемы ее снова поцстраивают. При зашторивании одного из датчиков возникает сигнал разбаланса, пропорциональный скорости химической реакции на поверхности другого датчика.

Для определения абсолютных значений скорости реакции требуется предварительная градуировка устройства.

Влияние возможной подсветки, идущей со стороны реакционного объема, на выходной сигнал датчиков и связанную с этим ошибку можно значительно снизить, используя, в частности, модулированное освещение датчиков светодиодом и последующую регистрацию сигнала разбаланса схемы на частоте модуляции. Изобретение основано на установленной зависимости между скоростью поверхностной рекомбинации и ско- . ростью реакции гетерогенной рекомбинации атомов водорода на поверхности германия, Экспериментально обнаружено, что величину скорости S поверхностной рекомбинации для рабочей поверхности образца можно представить в виде суммы двух слагаемых, Первое из них, S есть скорость, измеренная сразу после ограждения по -. тока атомов от датчика и обусловленная центрами поверхностНой рекомбина-. ции носителей заряда, связанными с долгоживущими поверхностными состояниями или с дефектами поверхности, образующимися в ходе ге терогенной реакции.

Второе слагаемое S -= -S — - S< появляется сразу после начала химической

-Я реакции и быстро исчезает (10 с) после прекращения реакции. S обусловлена быстродесорбирующимися продуктами реакции (в частности молекулами Н 1., И в других гетерогенных реакциях протекающих на полупроводниковом датчике, возникает аналогичная добавка к S, связанная с образующимися на поверхности датчика продуктами реакции. Эти продукты уходят с поверх28

Способ контроля газофазных химических реакций на полупроводниках, включающий облучение светом полупроводникового фотоэлектрического датчика, находящегося в объеме с реакционной массой, и регистрацию фотоэлек3 13577 ности либо за счет десорбции (т ° е. равновесно), либо удаляются самой

° реакцией, т.е. неравновесно. При этом, для разделения двух слагаемых необходимо, чтобы время релаксации величины S было много меньше времени релаксации S<.

Таким образом, продукты гетерогенных реакций, закрепляющиеся на поверхности кристалла, могут формиро- 10 вать поверхностные состояния, являющиеся центрами поверхностной рекомбинации носителей заряда. По величине S можно следить за процессом образования конечного продукта реакции, z

15 т. е. за ходом химической реакции. Для . определения скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда можно использовать фотоэлектрические эффекты. Измеряемый сигнал прямо про-20 порционален величине S = S + S

Поскольку скорость химической реакции связана только с составляющей

Б, то необходимо использовать два . датчика, включенных по разностной схеме. Это позволяет избавиться от неизвестной составляющей S<. Перекрывание потока реагирующих частиц на .один из датчиков позволяет выделить величину S . Таким образом, разностный сигнал двух датчиков в период, когда на один из них поток реагирующих частиц не попадает, прямо пропорционален скорости реакции.

Изобретение можно эффективно при- 35 менять для контроля скорости как гетерогенных, так и гомогенных химических реакций.

Пример. Для проверки способа 40 проведен контроль скорости гетерогенной рекомбинации атомов водорода по величине фотопроводимости двух фотоэлектрических датчиков. Датчики были выполнены на одной тонкой пласти- 45 не 8,5 10 0,25 мм из германия, обладающего собственной проводимостью.

Датчики подключают к электрической мостовой схеме. Светодиодом AJI-107Б (= 0,93 мкм) облучают нерабочие поверхности датчиков, которые предварительно обрабатывают раствором перекиси водорода для получения .малых скоростей поверхностной рекомбинации.

Регистрирующим прибором служит микровольтметр Ф 116/1, который включают в диагональ моста.

Датчики помещают в реакционный объем, где с помощью диссоциатора создается равновесная концентрация атомов водорода (и„= 10 — 10 см ), 11 ld

Контакт рабочей поверхности датчиков со средой сопровождается экзотермической реакцией гетерогенной рекомбинации атомов Н в молекулы Н, что регистрируют по разогреву датчиков с помощью калориметра. После установления химического равновесия на поверх-. ности датчиков производят баланс мостовой схемы. Один из датчиков "закрывают от потока реагирующих частиц и определяют сигнал разбаланса по прибору Ф 116/1. Поскольку время ре- i лаксации фотоэлектрических эффектов мало, то продолжительность перекрытия датчика не превышает 2-3 с. При таких временах равновесие на поверхности датчика нарушается слабо и быстро восстанавливается после возобновления подачи газовых частиц.

Скорость реакции варьируют путем изменения концентрации атомов водорода в объеме за счет регулирования мощности ВЧ-разряда. Измерение скорости реакици проводят по методу изотермического калориметра, который по- мещают в контакте с датчиком, Скорость образования молекул Н (скорость реакции гетерогенной рекомбинации атомов Н) определяют по формуле

4 где hP — мощность, передаваемая единице поверхности датчика за счет гетерогенной рекомбинации атомов;

D„ — энергия диссоциации молекулы Н (D„„= 4,48 эВ).

Определяют сигнал фотопроводимости одного из датчиков в зависимости от скорости реакции. Изменение сигнала фотопроводимости не превышает

307 при измерении скорости реакции на порядок. При этих же условиях величина разностного сигнала изменяется почти в 3 раза.

Формула и з о б р е т е н и я

Составитель В. Варнавский

Редактор Г. Волкова Техред М.Ходанич

Корректор А.Ильин

Заказ 5987/38 Тираж 776

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 трического эффекта, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, облу.чают помещенный в реакционный объем второй датчик, аналогичный первому, 357728

6 .во время измерений, второй датчик изолируют от реакционной массы и регистрируют разностный сигнал фотоэффектов,.по которому. определяют скорость химических реакций.