Теплофизические характеристики и моделирование физико-химических процессов в ВЧЕ разряде в метане

• Автор: Лапочкина, Татьяна Михайловна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Бишкек
• Количество страниц: 163 с. : ил.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЧЕ РАЗРЯДА В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

§1.1. ВЧЕ разряд

§ 1.2. Применение ВЧЕ разрядов в плазменных технологиях

§ 1.3. Диагностика плазмы неравновесных разрядов

§1.4. Моделирование физико-химических процессов в метансодержащей плазме

ГЛАВА 2. ТЕХНИКА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА § 2.1. Экспериментальное оборудование

§ 2.2. Методы исследования заселенностей энергетических уровней и измерения концентрации атомарного водорода
§ 2.3. Исследование колебательного и вращательного распределений молекул водорода по структуре спектра а-системы Фулхера

§ 2.4. Оценка отношения концентраций атомарного и молекулярного водорода

§ 2.5. Определение колебательной и вращательной температур радикала СН*

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЧЕ РАЗРЯДА МЕТОДАМИ ОПТИЧЕСКОЙ ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
§ 3.1. Спектры излучения ВЧЕ разряда в метане и смесях метана с аргоном
§ 3.2. Влияние магнитного поля на интенсивности атомарных спектральных линий и молекулярных полос
§ 3.3. Пространственное распределение излучения и оценка толщины приэлектродного слоя
§ 3.4. Заселенности энергетических уровней атомов водорода
§ 3.5. Параметры молекулярного водорода: концентрация и распределения молекул по колебательным и вращательным энергетическим состояниям
§ 3.6. Колебательная и вращательная температуры радикала СН
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЧЕ РАЗРЯДА В МЕТАНЕ И АРГОНЕ В РАМКАХ ОДНОМЕРНОЙ ДИФФУЗИОННО-ДРЕЙФОВОЙ МОДЕЛИ
§ 4.1. Одномерная диффузионно-дрейфовая модель ВЧЕ разряда
§ 4.2. Характеристики ВЧЕ разряда в метане и аргоне
§ 4.3. Влияние межэлектродного расстояния на характеристики ВЧЕ разряда в аргоне
§ 4.4. Изучение влияния давления и магнитного поля на характеристики ВЧЕ разряда
ГЛАВА 5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ФИЗИКОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ВЧЕ РАЗРЯДЕ В МЕТАНЕ И СМЕСЯХ МЕТАНА С ВОДОРОДОМ
§5.1. Кинетическое уравнение Больцмана и метод его решения
§ 5.2. Функции распределения электронов по энергиям в метане, водороде и смесях метана с водородом
§5.3. Транспортные коэффициенты электронов и константы скоростей реакций с участием электронов
§ 5.4. Кинетика химических реакций в ВЧЕ разряде в метане и смесях метана с водородом
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

Диссертационная работа посвящена проблеме экспериментального исследования и математического моделирования процессов в метансодержащей плазме высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда низкого давления. Необходимость изучения характеристик разряда и явлений в нем продиктована важностью ВЧЕ разрядов для приложений в современных технологиях, в том числе, в плазмохимии и микроэлектронике [1-5].
Одним из основных теплофизических параметров, знание которого необходимо для оптимальной организации технологических процессов, является температура плазмы. При отсутствии полного и локального термодинамического равновесия плазма не может быть охарактеризована одной температурой. В плазме молекулярных газов необходимо дополнительно учитывать возбуждение вращательных и колебательных степеней свободы молекул при столкновениях с электронами и связанные с ними колебательную и вращательную температуры [6].
ВЧЕ разряд в метане является предметом многочисленных исследований, что связано с широким применением такого разряда в качестве источника неравновесной плазмы, в том числе, для получения алмазоподобных пленок методом плазменно активированного осаждения из газовой фазы (PECVD -Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) [1, 7-10]. Осаждение пленок из газовой фазы осуществляется в смеси углеродсодержащего газа, чаще всего, метана, с инертными газами или водородом. Скорость роста алмазоподобных пленок определяется скоростью образования радикалов в объеме плазмы, процессами их переноса к подложке и протеканием поверхностных реакций. Поэтому для совершенствования технологий плазменного синтеза таких покрытий требуется детальное исследование параметров плазмы и протекающих в ней плазмохимических процессов образования радикалов,

АгІІ

4200 400т
300.
/ АгІ
j АгІІ
4400 4600 4800 5000 5200 5400
200'
1004800
АгІ rS

Aril
ДцІЩ І1» v і 1Ajl1lAfe,
)0 5800 6000 6200 6400 6600
5400 5600 5800 6000 6200 6400
A, A
Рис. 3.1. Обзорный спектр излучения ВЧЕ разряда в аргоне в диапазоне длин волн 4200-6600 А. 5=200 Г с, р=1 Па.
Потенциал ионизации ионов, преобладающих в плазме, составляет (5+)кБТ [56]. Так как потенциал ионизации для Aril 15.70 эВ, то электронная температура в разряде в аргоне при описанных выше условиях порядка 1.5-АЗ эВ. Кроме того, большое количество линий нейтральных атомов говорит о достаточно низкой электронной температуре плазмы.
На рис. 3.2 представлены участки спектра излучения ВЧЕ разряда в метане при давлении 1 Па в диапазоне длин волн 4200 А+6600 А. Величина индукции магнитного поля 200 Гс и мощность 100 Вт.
В спектре ВЧЕ разряда в метане наблюдаются линии атомарного водорода серии Бальмера //„(6563 А, п -3—т=2), //Д4683 А, п -4—>п=2), Ну(4340 А, п -5—т-2) [68], полосы радикала СН* (А2Д-Х2П) системы 4300 А [69], большое количество линий молекулярного водорода [69] на участках