Особенности пространственного распределения кинетических и оптических характеристик двухкамерных источников газоразрядной плазмы

• Автор: Сердитов, Константин Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.08, 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 107 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПЛАЗМЫ
1.1 Обзор литературы
1.2 Модели описания характеристик газоразрядной плазмы и их классификация
1.3 Этапы численного моделирования
1.4 Выбор и описание объекта исследований и разрядных условий
ГЛАВА 2. ДВУМЕРНАЯ ГИБРИДНАЯ МОДЕЛЬ ОПИСАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИССЛЕДУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ
2.1 Система уравнений и граничные условия
2.2 Определение скоростей реакций и коэффициентов переноса заряженных и возбужденных частиц
2.3 Используемые геометрии разрядного объема и вычислительные сетки для проведения двумерного моделирования
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЦИОНАРНОГО РАЗРЯДА
3.1 Условия и результаты исследований для разряда в электроположительном газе
3.2 Анализ полученных результатов в электроположительном газе
3.3 Условия и результаты исследований для разряда в электроотрицательном газе
3.4 Анализ полученных результатов в электроотрицательном газе
3.5 Влияние держателя зонда на параметры плазмы в электроотрицательном газе
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНОГО ДВУХКАМЕРНОГО РАЗРЯДА
4.1 Условия и результаты исследований послесвечения в двухкамерном разряде
4.2 Анализ полученных результатов моделирования послесвечения в двухкамерном разряде
ВЫВОДЫ
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Развитие современных технологий неотъемлемо связанно с использованием плазмы, поскольку её уникальные свойства позволяют реализовывать более экстремальные условия и более гибкое управление параметрами по сравнению с остальным тремя состояниями вещества.
Изменениями длительности активной фазы и скважности разряда, вкладываемой мощности и других параметров режима, удается достаточно тонко управлять различными характеристиками плазмы [1-9]. При этом большое значение имеет возможность управлять температурой электронов, потоками и концентрациями заряженных и возбужденных частиц, как в разрядном объеме, так и на испытуемый образец, подвергаемый плазменной обработке [5-9].
Такое распределение параметров часто является благоприятным для применения в плазменных технологиях. В качестве примера можно рассмотреть микроэлектронную промышленность, где газоразрядная плазма применяется для осуществления процессов травления, осаждения, полимеризации и многих других [1-2]. Другим известным применением можно считать использование в качестве источника пучка отрицательных ионов для ядерного синтеза [3].
Потребность в тонком и предсказуемом управлении распределением параметров плазмы для технологических применений делает актуальным изучение новых источников плазмы для дальнейшего развития и улучшения параметров промышленных процессов. В то же время разнообразие возможных входных параметров, таких как вводимая мощность, рабочий газ, давление, конкретная конфигурация разрядного объема, а также относительная дороговизна и, в некоторых случаях, сложность экспериментальных исследований, выводят применение численного моделирование на первый план,
В последние годы возрос научный и практический интерес к так называемые двухкамерным (или тандемным) источникам, характерной особенностью которых является наличие двух соединенных между собой камер различного размера. Одна из них (обычно небольшого размера), также называемая разрядной, где вкладывается мощность от внешнего источника (как правило высокочастотного поля) и образуется плазма. Вторая, больших размеров, также называемая диффузионной, где плазма существует в основном за счет переноса частиц и энергии из разрядной камеры.

Режим работы подобного устройства в активной фазе характеризуется распределением параметров плазмы, определяемым как местом локализации вводимой энергии, так и ее перераспределением в объеме. В типичном случае, высокими значениями концентраций заряженных частиц и электронной температуры в разрядной камере и плавным их спадом при переходе в диффузионную камеру.
При использовании двухкамерных источников плазмы наблюдаются различные физические эффекты, не имеющие прямых аналогий в традиционных геометриях. В частности, можно выделить: серию статьей французских исследователей [11-13] посвященную формированию двойных слоев в диффузионном объеме двухкамерного индуктивно-связанного источника плазмы электроотрицательных газов; серию статей болгарских исследователей [14-16] посвященную созданию и анализу двумерной модели двухкамерного источника плазмы и т.п. (см., например, [17-20]).
В тоже время во всех известных руководствах и учебной литературе по физике и технике плазмы рассматриваются простейшие геометрии (плоскопараллельная, цилиндрическая и т.п.). К сожалению, эффекты и явления, возникающие в традиционной геометрии разрядах не могут быть прямо экстраполированы на двухкамерные конструкции. Необходимо заметить, что создание адекватной модели двухкамерных разрядов не является тривиальной задачей. Сложная форма геометрии разряда определяет ёё усложнение для подобных источников. В частности, продольные потоки частиц и энергии, которыми, как правило, пренебрегают в моделях стационарного разряда в трубках постоянного сечения [21], играют здесь решающую роль, и как следствие, делают её как минимум двумерной. В связи с этим представляется особенно интересным исследовать характерные особенности подобных разрядов и провести подробный анализ происходящих физических процессов, что в свою очередь может открыть новые технологические и исследовательские перспективы.
Таким образом дальнейшее развитие методик описания и моделей, учитывающих необходимые физические характеристики, является актуальным направлением развития физики плазмы.
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось исследование особенностей распределения электрокинетических и оптических характеристик газоразрядной плазмы низкого давления в двухкамерных источниках плазмы и выработка физических принципов для прогнозирования их свойств в различных условиях.
Научная новизна и практическая ценность
8 2Аг' —> е + EF + Аг* - кр = 1.2-КГ15/и3.?”1 [58] Penning ionization
9 Arm +Агг -ье + EF + Аг* - кр =1.2'10"15т35_| [58] Penning ionization
10 Аг' —> Ar + hv - ЛЗ-IOV resonance radiation (with selfabsorption)
и е + Атг’—>е + EF - =4-Кrl6wV superelastic collision
Специальные исследования показали, что используемая часто при симуляциях трехуровневая схема атома аргона с выделением только одного возбужденного состояния - метастабильного уровня, при описании импульсных разрядов низкого давления приводит к неточностям в определении параметров плазмы послесвечения. Это связано с необходимостью выделять отдельно также и соседний резонансный уровень, с которым происходит эффективное перемешивание метастабильного состояния в послесвечении. Поэтому, в окончательных симуляциях использовалась четырехуровневая модель атома аргона с выделением нижних возбужденных состояний: метастабильного Аг£ и резонансного Атг* уровней.
В балансе метастабильных и резонансных атомов кроме прямого возбуждения, значительную роль играет каскадное заселение с вышележащих состояний. Для их учета использовался подход, в котором полагалось, что весь поток возбуждения вышележащих уровней в результате последующего высвечивания попадает на эти уровни в определенном (задаваемом при симуляции) соотношении (в простейшем случае выбиралось равное отношение 1:1).
Помимо электроположительных, в данной работе были выполнены исследования и в электроотрицательных газах. В качестве рабочего газа в этом случае использовалась либо смесь аргон-кислород, либо же чистый кислород.
При выполнении моделирования разряда в смеси аргон-кислород использовалась плазмохимическая модель с набором 32 плазмохимических реакций, представленных в таблице 2.2.
Таблица 2.2. Набор используемых плазмозимических процессов при симуляциях в
смеси аргон-кислород.
№ Reaction Ae,eV Constant Comment
1 e + Ar -> Ar + e - Cross Section [56] momentum transfer
2 e + Ar <-> Ar'm+ e 11.55 Effective Cross Section Compiled from [56,571 metastable state excitation (11 55eY)
3 e + Ar*ln-> EF + e Cross Section [59] metastable state de-excitation
4 e + Ar -> Ar r + e 11.67 Effective Cross Section Compiled from [56,57] resonant state excitation (11 67eF)
5 e + Ar*r -> EF + e Cross Section [59] resonant state de-excitation
6 e + Ar -> Ar+ + 2e 15.9 Cross Section [56] direct ionization