Способ контроля газофазных химических реакций на полупроводниках Советский патент 1987 года по МПК G01J1/48 

Изобретение относится к физике- имическому анализу и может быть рименено для контроля химических роцессов в газовой фазе и на грание ра зцела газ - полупроводник.

Целью изобретения является повыение точности и быстродействия фо-. тоэлекхрического метода контроля имических 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 CBeta, обеспечить 1иниатюр1юсть устройства, свести ошибку, связанную с различным разогревом датчиков в процессе химической реакции к минимуму. Пластина - с датчиками своей нерабочей поверхностью герметически крепится к itopnycy 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 запитывают от источника постоянного (или переменного) напряжения для фотовозбуждения датчиков. Под действием постоянного (или Модулированного) светового потока в датчиках 1 и 2 индуцируются фот оэлектри- ческие эффекты, в частности фотопроводимость. При опущенных шторках сопротивлением 7 производится балансировка схемы так, чтобы регистрирую, щий прибор 4 показал нулевое значение. Аналогичная процедура подготовки датчика к работе производится при помещении устройства в реакционную

. зону: вначале измерений и в некото-

рые- промежуточные моменты времени. ,

Далее открывают обе шторки и выжида- . ют некоторое время для установления химического равновесия на поверхностях датчиков. Из-за возможного разбаланса мостовой схемы ее снова под страивают. При зашторивании одного из датчиков возникает сигнал разбаланса, пропорциональный скорости хими5 ческой реакции на поверхности другого датчика.

Для определения абсолютных значений скорости реакции требуется предварительная градуировка устройства.

0 Влияние возможной подсветки, идущей со стороны реакционного объема, на выходной сигнал датчиков и связанную с этим ошибку можно значительно снизить, используя, в частности, модули 5 рованное освещение датчиков светоди- одом и последующую регистрацию сигнала разбаланса схемы на частоте модуляции. Изобретение основано на установленной зависимости между скоростью

0 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 слагаег-ых Первое из них, S,, есть скорость, измеренная сразу после ограждения по0 тока атомов от датчика и обусловленная центрами поверхностной рекомбинации носителей заряда, связаннь№ш с долгоживущимн поверхностными состояниями или с дефектами поверхности,

g образующимися в ходе гетерогенной реакции.

Второе слагаемое 82 S - S, появ- ляетсй сразу после начала химической реакции и быстро исчезает (10 с) после прекращения реакции. S обусловлена быстродэсорбирующимися продуктами реакции (в частности молекулами Н) . .

И в других гетерогенных реакциях,

55 протекающих на полупроводниковом датчике, возникает аналогичная добавка . к S, связанная с образующимися на

поверхности датчика продуктами реак- . ции. Эти продукты уходят с поверх5

0

3.1

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 Sj, было много меньше времени релаксации S,.

Таким образом, продукты, гетерогенных реакций, закрепляющиеся на поверхности кристалла, могут формировать поверхностные состояния, являющиеся центрами поверхностной рекомбинации носителей заряда. По величи

не Sj можно следить за процессом образования конечного продукта реакции, 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..

.Поскольку скорость химической реакции связана только с составляющей S , 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, огда на один из них поток реагирующих частиц не попадает, прямо проорционален скорости реакции.

Изобретение можно эффективно применять для контроля скорости как гетерогенных, так и гомогенных химиеских реакций. I

П р им е р. Для проверки способа проведен контроль скорости гетерогенной рекомбинации атомов водорода по величине фотопроводимости двух фотоэлектрических датчиков. Датчики быи выполнены на одной тонкой пластине 8,5-100,25 мм из германия, облаающего собственной проводимостью. атчики подключают к электрической мостовой схеме. Светодиодом АЛ-107Б

.( 0,93 мкм) облучают нерабочие поверхности датчиков, которые предварительно обрабатывают раствором пеекиси водорода для получения малых скоростей поверхностной рекомбинации.

25

30

35

40

45

5

50

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

Датчики помещают в .реакционный объем, где с помощью диссоциатора со0

0

5

0

здается равновесная концентрация атомов водорода (пм 10 см ) . 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- 5 лаксации фотоэлектрических эффектов мало, то продолжительность перекрытия датчика не превьшает 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 помещают в контакте с датчиком.

Скорость образования молекул Н (скорость реакции гетерогенной рекомбинации атомов Н) определяют по формуле

35

со /лр,//в,.

0

5

0

5

где йР, - мощность, передаваемая единице поверхности датчика за счет гетерогенной рекомбинации атомов;

Оц - энергия диссоциации молекулы Н (DH-H эВ). Определяют сигнал фотопроводимости одного из датчиков в зависимости от скорости реакции. Изменение сигнала фотопроводимости не превышает 30% при измерении скорости реакции на порядок. При этих же условиях величина разностного сигнала изменяется почти в 3 раза.

Формула изобретения

Способ контроля газофазных химических реакций на полупроводниках, включающий облучение светом полупроводникового фотоэлектрического датчика, находящегося в объеме с реакционной массой, и регистрацию фотоэлектрического эффекта, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, облу- .чают помещенный в реакционный объем второй датчик, аналогичный первому.

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

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

Составитель В. Варнавский Редактор Г. Волкова Техред М..Ходан.ич

Заказ 5987/38 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035 Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5 .

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор А.Ильин