Введение к работе
Актуальность темы. Решите широкого круга задач в различных областях совремешюй науки и техники связано с применением низкотемпературной неравновесной плазмы злектрическік разрядов в разреженных молекулярних газах.
Эффективность аккумулирования энергии электрического поля в выделенных степенях свободы частиц в газоразрядной плазме во многом зависит от потерь подводимой it разряду мощности на нагрев газа, характеризующийся температурой нейтральней компонент Т_.
В связи с развитием техники мощных газовых лазеров, плазиохимии актуальной задачей является получение плазменных сред с высокой степенью колебательной неравновесности. Это может быть достигнуто путем повышения удельного энерговклада в разряд при существенном снижении температуры нейтральной компоненты плазмы. Требуемые условия реализуются в тлеющем разряде в стационарном потоке газа (ТРП). Перспективным направлением является использование несамостоятельного ТРП в сочетании с охлаждением газовых смесей до криогенных температур (Т -100 К).
Наличие газового потока обусловлгааэг существенны» отличия ТРБ от достаточно хорошо изученного тловцэго разряда (ТР) низкого давления в трубках, проявлягдйеся в особенностях структуры ТРП, механизмов его охлаждения, стабилизации ззро7;доіг,:л и развитая неустойчивестей в приэлектродных областях. В ряде технологических процессов вакуумно - плазмеш-:ой модификации поверхностей материалов (травленио, осаждение) эффективность обработки в знзчителн-ой степєзш определяется энергией ионной компоненты и концентрацией активных частиц в приповерхнеотком слов. Наиболее оптимальные ре-даы обработки реализуются в плазме высокочастотного разряда (ВЧ) пенигешюго давления с непрерывной прокачкой рабочего газа. Скорость технологических процессов в значительной степени связана с температурой нейтральной компоненты, определяющей величину теплового потока к обрабатываемой поверхности к ее нагрев.
К началу выполнения настоящей роботы данные, полученные о характеристисах тлеющего разряда в газовом потоке, были немногочисленны. Практически отсутствовали результаты исследований нагрева нейтральной компонента плазмы, генерируемой в реальных технологических устройствах на основе ТРП, в том
числе несамостоятельного тлеющего разряда в потоке газовых смесей при криогенных температурах. В значительной степени это было обусловлено сложностью экспериментальной диагностики ТРП, требующей применения бесконтактных методик, позволяющих контролировать параметры плазмы при наличии турбулентности.
В настоящей работе объектами исследования являлась плазма самостоятельного и несамостоятельного тлеющих разрядов в потоке азота и его смесей с С02, Не, СО при нормальной (-300 К) и криогенной (-100 К) температурах, используемая в качестве рабочих сред мощных технологических С0г- и СО-лазеров, а также С3РВ - плазма высокочастотного разряда, применяемая в технологиях травления и нанесения тонких пленочных покрытий в микроэлектронике.
Работа выполнялась в рамках тем "Плазма 2.27", "Плазма 3.13" Плана важнейших научно-исследовательских работ в области естественных , технических и общественных наук по Республике Беларусь, Республиканской научно- технической программы "Вакуумная техника и вакуумные твхнологші", а также по заданию ряда хозяйственных договоров с предприятиями Республики Беларусь и России.
Целью диссертацдоанной работа было установление основных каналов нагрева нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потока смесей молекулярных газов И2, С02, Не, СО при средних давлениях. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следущиа задачи:
развить метода диагностики плазмы тлеющего разряда в потоке молекулярных газов при нормальной и криогенной температурах;
изучить характер течения плазмы в канале разрядной камеры;
исследовать особенности формирования пространственной структуры самостоятельного и несамостоятельного тлеющих разрядов з потоке газовых смесей;
определить температуру нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потоке молекулярных газов для широкого диапазона рабочих режимов разряда;
Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем.
I. Развит метод определения температуры нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в смесях молекулярных газов при средних давлениях и температурах Tg = 100 і 700 К по
относительному распределению интенсквносгей в неразрешенных по вращатель не ft структуре электронно-колебательных полосах двухатомных гсмо- и гетероядерних молекул с учетом реальной структури полос и аппаратной функции спектрального прибора.
-
Методом лазерной доплоровской анемометрии исследованы параметры разреженного (10 t 60 Торр) газового потока в канале разрядной камеры как в присутствии электрического поля, так и в его отсутствие. Обнаружено увеличение пульсациошюй составляющей скорости газового потока при электрическом пробое газа, сопровождающееся ростом степени турбулентности потока.
-
Изучены особенности формирования структуры самостоятельного тлеющего разряда в потоке смесей N2+0Oe+He с привлечением модели ТР, учитывающей нелокальный характер спектра электронов в катодном слое.
-
Исследованы основные каналы нагрева нейтральной компоненты плазмы тлеющего разряда в потоке азота я его смесей с С0г и Не в зависимости от . удельного энерговклада, химического состава и давления смесей.
-
С использованием развитых в работе диагностических методов установлена качественная зависимость между скоростью плагмохимического травления Бі/310г-структур в СаЕв-плагме высокочастотного емкостного разряда и степенью нагрева плазмы вблизи обрабатываемой поверхности, позволяющая контролировать кинетику процесса травления по изменению температуры нейтральной компоненты плазмы в приповерхностном слое.
Практическая значимость, работы.
Результаты проведенных экспериментальных исследований Плазмы быстропроточного тлеющего и высокочастотного разрядоз могут быть использованы при моделировании течений разреженных газовых и плазменных потоков, в расчетах скоростей элементарных процессов в неравновесных азотсодержащих плазменных срэдах, при разработка устройств для лазерной техники, плазмохимии. Данные исследований механизмов диссипации вкладываемой в ТРП электрической энергии переданы в ТРИНИТИ им. Курчатова, НТЩГЛ РАН, использовались в опытном производстве МАЗ для оптимизации рабочих режимов технолопетвских С02- и СО- лазеров. Результаты исследований C3Fe- плазмы ВЧ емкостного разряда переданы на завод "Транзистор" НПО "Интеграл" для контроля 'технологических процессов обработки полупроводниковых материалов на серийных плазмохимических установках.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методика определения температуры нейтральной компоненты
газоразрядной плазмы в диапазоне 100 t 7G0 К по неразрешенной
вращательной структуре электронно - колебательных полос
двухатомных гомо- и гетероядерных молекул с учетом их реальной
структуры и аппаратной функции спектрального прибора;
- результаты анемометрических исследований локальных
характеристик разреженного (20 + 40 Горр) газового потока в
прямоугольном канале, свидетельствующие о том, что воздействие
самостоятельного поперечного тлеющего разряда на газовый поток
вызывает возрастание амплитуды пульсациовдой составляющей его
wh.wjw^ і.*і jri i.ijj]nu^jji^xi К JuoJunibli*loj оГОПиїІИ ТУриУЛСНТНОСТй П0Т0КЗ t
эслериментально установлено, что при энерговкладе ff/G
метод контроля кинетики процесса селективного плазма-химического травления Sl/S102-cTpyKTyp во фторуглеродаой плазме высокочастотного емкостного разряда, основанный на выявленной зависимости степени нагрева нейтральной компоненты плазмы вблизи обрабатываемой поверхности от скорости протекания реакций фторирования оксида кремния.
Личный вклад автора. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Научные руководители - доктор физико - математических наук, профессор ВД.Шиманович и ведущий научный сотрудник, кандидат физико -математических наук В.В.Ажаронок принимали участие в постановке задачи исследований, обсуждении полученных результатов и осуществляли руководство работой. Экспериментальные измерения били проведены совместно с соавтором работ Н.ИЛубриком.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на VIII МежреспуОл. семинаре "Лазеры и оптическая нелинейность" (Вильнюс, 1986); VI, IX Республ. конференциях молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике (Вильнюс, I9S3, 1987); IV Всес. конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1988);
Межд. симпозиуме "Theoretical and applied aspects of plasma Chemistry" (Рига, 1991); VIII Всес. конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991); 10th Int. symposium on plasma chemistry (Bochuin, 1991); Меяц. школе-семинаре "Non-equilibrium processes In gasea and low temperature plasma" (Минск,1992); конференции "Физика и техника плазмы" (Минск,1994).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, включащих 6 статей, I препринт Института физики АНБ, 6 тезисов докладов в трудах конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит кз введения, четырех глав, основных выводов и списка литература, включающего 191 наименование. Общий объем - 153 страница машинописного текста, включая 27 рисунков и 2 таблицы.
