Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование вче разряда в современных технологиях
1.1. ВЧЕ разряд 11
1.2. Применение ВЧЕ разрядов в плазменных технологиях 15
1.3. Диагностика плазмы неравновесных разрядов 19
1.4. Моделирование физико-химических процессов в метансодержащей плазме 22
Глава 2. Техника и методики эксперимента
2.1. Экспериментальное оборудование 27
2.2. Методы исследования заселенностей энергетических уровней и измерения концентрации атомарного водорода 34
2.3. Исследование колебательного и вращательного распределений молекул водорода по структуре спектра а-системы Фулхера 38
2.4. Оценка отношения концентраций атомарного и молекулярного водорода 45
2.5. Определение колебательной и вращательной температур радикала СН 47
Глава 3. Исследование теплофизических характеристж вче разряда методами оптической эмиссионной спектроскопии
3.1. Спектры излучения ВЧЕ разряда в метане и смесях метана с аргоном 51
3.2. Влияние магнитного поля на интенсивности атомарных спектральных линий и молекулярных полос 55
3.3. Пространственное распределение излучения и оценка толщины приэлектродного слоя 60
3.4. Заселенности энергетических уровней атомов водорода 63
3.5. Параметры молекулярного водорода: концентрация и распределения молекул по колебательным и вращательным энергетическим состояниям 68
3.6. Колебательная и вращательная температуры радикала СН 79
Глава 4. Исследование характеристик вче разряда в метане и аргоне в рамках одномерной диффузионно-дрейфовой модели
4.1. Одномерная диффузионно-дрейфовая модель ВЧЕ разряда 85
4.2. Характеристики ВЧЕ разряда в метане и аргоне 87
4.3. Влияние межэлектродного расстояния на характеристики ВЧЕ разряда в аргоне 98
4.4. Изучение влияния давления и магнитного поля на характеристики ВЧЕ разряда 104
Глава 5. Численное моделирование кинетики физико-химических реакций в вче разряде в метане и смесях метана с водородом
5.1. Кинетическое уравнение Больцмана и метод его решения 111
5.2. Функции распределения электронов по энергиям в метане, водороде и смесях метана с водородом 114
5.3. Транспортные коэффициенты электронов и константы скоростей реакций с участием электронов 117
5.4. Кинетика химических реакций в ВЧЕ разряде в метане и смесях метана с водородом 121
Заключение 135
Литература 139
Приложения 150
- Применение ВЧЕ разрядов в плазменных технологиях
- Методы исследования заселенностей энергетических уровней и измерения концентрации атомарного водорода
- Влияние магнитного поля на интенсивности атомарных спектральных линий и молекулярных полос
- Характеристики ВЧЕ разряда в метане и аргоне
Введение к работе
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-Ю]. 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,
которые, в свою очередь определяются теплофизическими и химическими свойствами среды [11-13].
Для создания эффективных плазмохимических систем необходимо знание распределения температур плазмы в разряде, а также возможность стимулирования и управления процессами в разряде специфическим воздействием плазмы на реакционную среду. Последнее может быть достигнуто за счет использования устройств с активацией разряда внешним магнитным полем и технологий, разработанных на базе этих устройств.
В связи с трудностями диагностики неравновесной плазмы большую роль при ее изучении играет моделирование плазмохимических процессов. Полученная в ходе моделирования информация помогает оптимизировать технологический процесс. Термодинамически равновесные модели достаточно просты в формализации и универсальны в применении. Однако реальный плазмохимический процесс является неравновесным и при построении кинетической модели необходима информация о механизмах реакций, транспортных коэффициентах, температурных полях. Для получения такой информации широко используются экспериментальные методы.
Целью работы является комплексное исследование теплофизических характеристик и физико-химических процессов в ВЧЕ разряде магнетронного типа в метане при низких давлениях спектральными методами и методами математического моделирования.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Изучение спектра и пространственного распределения интенсивности излучения ВЧЕ разряда магнетронного типа низкого давления в метане и смесях метана с аргоном. Оценка толщины приэлектродного слоя в зависимости от разрядных условий. Моделирование спектров излучения
молекулярного водорода и радикала СН* при заданных электронной, колебательной и вращательной температурах.
Изучение распределений атомов водорода Н(&=3, 4, 5) по электронным состояниям, молекул водорода и радикалов СН* по колебательным и вращательным состояниям в зависимости от параметров разряда. Оценка отношения концентраций атомарного и молекулярного водорода в разряде в метане.
Исследование влияния рода газа, давления, внешнего магнитного поля и межэлектродного расстояния на характеристики ВЧЕ разряда в аргоне и метане в рамках одномерной гидродинамической модели.
Разработка кинетической схемы плазмохимических процессов в неравновесной плазме метана и смесях метана с водородом, учитывающей процессы с участием электронов, ионов и нейтральных частиц. Исследование в рамках 0-мерной кинетической модели влияния параметров разряда на компонентный состав плазмы.
Диссертационная работа состоит из настоящего краткого введения, пяти глав и заключения.
В первой главе приведен литературный обзор по темам, связанным с проблемами, решаемыми в данной работе. Даны общие сведения о высокочастотных (ВЧ) разрядах, рассмотрены особенности, преимущества и недостатки ВЧЕ разрядов, в том числе разрядов, активированных внешним магнитным полем. По результатам обзора сделаны выводы об актуальности проводимых исследований и обоснованы цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе описано экспериментальное оборудование для получения и исследования ВЧЕ разряда магнетронного типа низкого давления и методики, использованные для интерпретации экспериментальных данных.
В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования методами оптической эмиссионной спектроскопии ВЧЕ разряда магнетронного типа при частоте ВЧ поля 13.56 МГц в метане и смесях метана с аргоном.
В четвертой главе в рамках одномерной диффузионно-дрейфовой модели исследованы характеристики ВЧЕ разряда диодной конфигурации в метане и аргоне. Изучено влияние внешних условий, геометрии разряда и плазмообразующего газа на характеристики разряда
Пятая глава посвящена моделированию кинетики плазмохимических реакций в метане и смесях метана с водородом. Рассчитаны ФРЭЭ, транспортные коэффициенты электронов и константы скоростей электронных реакций в метансодержащей плазме, исследовано влияние давления газа и средней за ВЧ период амплитуды напряженности электрического поля на средние энергии электронов и компонентный состав плазмы.
В заключении подведены итоги работы, а также сформулированы задачи для дальнейших исследований.
Научная новизна работы:
впервые проведено комплексное исследование ВЧЕ разряда низкого давления в метане, активированного внешним магнитным полем;
- показано, что в разряде реализуется неравновесное распределение атомов водорода по энергетическим уровням, вклад в формирование которого вносит диссоциативная рекомбинация Н2+;
определены колебательные и вращательные температуры по распределениям молекул водорода и радикала СН по колебательным и вращательным уровням в ВЧЕ разряде магнетронного типа в метане при низких давлениях;
исследовано влияние давления, магнитного поля и расстояния между электродами на пространственные и временные распределения параметров разряда в рамках 1-мерной модели;
разработана подробная кинетическая схема газофазных химических реакций в ВЧЕ разряде низкого давления в метане, рассчитан компонентный состав плазмы, изучены влияние параметров разряда и роль водорода при добавлении его в состав плазмообразующего газа на среднюю энергию электронов в разряде и компонентный состав метансодержащеи плазмы.
Защищаемые положения;
Результаты экспериментального исследования характеристик метансодержащеи плазмы ВЧЕ разряда, активированного поперечным магнитным полем.
Механизмы формирования неравновесного заселения энергетических уровней атомарного водорода, распределений молекул 1 и радикала СН по колебательным и вращательным состояниям в ВЧЕ разряде в метане при низких давлениях.
Результаты моделирования ВЧЕ разряда диодной конфигурации, активированного внешним магнитным полем, в метане и аргоне на основе одномерной диффузионно-дрейфовой модели в зависимости от длины разрядного промежутка, давления и магнитного поля.
Кинетическая схема плазмохимических процессов в неравновесной плазме метана и смесей метана с водородом.
Зависимости компонентного состава и средней энергии электронов в плазме метана и смесей метана с водородом от величины высокочастотного электрического поля, давления газов и содержания водорода в смеси, полученные в рамках 0-мерной кинетической модели.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований могут быть использованы для разработки физических моделей
неравновесных разрядов в метане и смесях метана с инертными газами или водородом; для разработки и оптимизации технологических процессов с использованием плазмы углеводородов; при диагностике плазмы неравновесных разрядов в метансодержащих средах.
Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением опытных, теоретических и литературных данных, статистической обработкой результатов экспериментов. Результаты моделирования непротиворечивы и согласуются с результатами экспериментов и литературными данными.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на конференциях:
XVI International Conference on Gas Discharges and their Applications, Xi 'an, China, 2006; IV Международный симпозиум «Физика и химия углеродных материалов/ Нанотехнология», Алматы, Казахстан, 2006; XVII International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC-17), Toronto, Canada, 2005; IV Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново, Россия, 2005; Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов», Томск, Россия, 2005; III Международный симпозиум «Горение и плазмохимия», Алматы, Казахстан, 2005; Международный семинар «Проблемы моделирования и развития технологии получения керамики», Бишкек, Кыргызстан, 2005; IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-4), Minsk, Belarus, 2003; Юбилейная научная конференция, посвященная 70-летию академика РАН Р.З. Сагдеева, Бишкек, Кыргызстан, 2003; научные и научно-практические конференции КРСУ, 2001-2007 гг.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях и 8 тезисах докладов.
Применение ВЧЕ разрядов в плазменных технологиях
Увеличение степени интеграции и быстродействия интегральных микросхем, освоение больших и сверхбольших интегральных микросхем требуют разработки и внедрения новых технологических процессов, позволяющих существенно уменьшить размеры элементов структур с одновременным увеличением точности, надежности и автоматизации их производства.
В последнее время в промышленности интенсивно используются вакуумно-плазменные технологии, что инициировало исследования и разработку широкого спектра источников ионов и генераторов низкотемпературной плазмы производственного назначения [2], а также создание на их основе разнообразных ионно-плазменных систем для травления и нанесения покрытий [29-30]. Одним из перспективных направлений вакуумно-плазменных технологий является развитие методов, использующих комбинированные потоки низкоэнергетичных ( 100 эВ) ионов, радикалов химически активных веществ и нейтральных атомов. Наиболее часто используются ионно-плазменные системы на базе дуговых разрядов [11], разрядов постоянного тока [8], высокочастотных разрядов емкостного [4, 12] и индукционного [6] типов, СВЧ разрядов [13].
К основным процессам плазменной обработки в ВЧЕ разрядах относятся ионно-плазменное травление и нанесение тонких пленок и покрытий [31-32]. При ионном травлении поверхностные слои материала удаляют бомбардировкой энергичными ионами инертных газов при низком давлении, как правило, в целях очистки загрязненных поверхностей. В энергетическом отношении ионное травление поверхности малоэффективно. Более эффективным является процесс ионно-химического травления, при котором помимо ионного распыления, травление обрабатываемой поверхности осуществляется за счет реакций с химически активными ионами, попадающими на поверхность из плазмы.
Широко применяется в микроэлектронике плазмохимическое травление -удаление материала поверхности в химически активной плазме. Плазменное травление обеспечивает высокую скорость обработки, однако, разрешающая способность при этом невелика. В настоящее время актуальным является исследование воздействия низкотемпературной плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на текстильные материалы [33]. Высокочастотный емкостный разряд пониженного давления позволяет проводить объемную обработку текстильного материала и изменять его физические свойства, такие как жесткость, гидрофильность, сминаемость и др. [34]
Одним из важных приложений ВЧЕ разряда пониженного давления является его применение для конверсии углеводородов [1, 35-36]. В неравновесной плазме отпадает необходимость в нагреве газа и последующей закалке продуктов. В связи с этим возможно снижение затрат электрической энергии на конверсию и упрощение технологической схемы. Конверсия углеводородов в неравновесной плазме используется в основном для получения новых, в том числе, уникальных продуктов (полимерных, алмазных и алмазоподобных, карбидных, карбонитридных пленок, фуллеренов, нанотрубок и т.п.) [37].
Другое обширное направление в плазмохимической технологии - это нанесение пленок и покрытий на различные материалы. В зависимости от толщины покрытия и метода его получения свойства пленок могут совпадать со свойствами монокристаллов этих же веществ, но могут и значительно от них отличаться. Ионно-плазменное напыление позволяет получать пленочные покрытия распылением в плазме инертных газов материала мишени при подаче на нее отрицательного электрического потенциала. При реактивном ионно-плазменном напылении получают сложные по составу пленочные покрытия распылением мишени в плазме, содержащей химически активный (реактивный) газ.
Метан как плазмообразующий газ вызывает интерес исследователей по нескольким причинам. [4]. Метан является простейшим углеводородом, в среде которого возможно получение тонких пленок из газовой фазы на различных поверхностях. В ВЧЕ разряде могут быть получены высокие скорости осаждения пленок и хорошее разделение на фракции, что позволяет управлять процессом осаждения посредством изменения внешних параметров разряда.
Тонкие алмазные пленки, получаемые в плазме углеводородов, привлекают к себе большое внимание благодаря таким уникальным свойствам, как чрезвычайно высокая твердость, высокая теплопроводность, прозрачность в широком оптическом диапазоне, большое удельное сопротивление, химическая стойкость [10].
Метод газофазного химического и физического осаждения широко используется для осаждения не только кристаллических (алмазных) пленок, но также и пленок аморфного гидрогенизированного углерода а-С:Н, которые находят применение в медицине (нанесение пассивирующих и биосовместимых покрытий в имплантологии) [38], ювелирной промышленности [39], машиностроении (упрочнение приповерхностных слоев материалов, нанесение жаропрочных, коррозионно-стойких и других функциональных покрытий) [2]. Алмазоподобный углерод имеет запрещенную зону шириной 2-4 эВ; по ряду свойств он приближается к алмазу (отсюда и его название), но, конечно, уступает последнему. На широкозонном алмазоподобном углероде а-С:Н электрохимические реакции практически не протекают. Один из способов придания электрохимической активности аморфному алмазоподобному углероду - это введение в него азота. Такие а-С: H:N пленки осаждаются из плазмы N2-CH4. С ростом отношения N2/CH4 в реакционной газовой смеси как удельное сопротивление, так и оптическая ширина запрещенной зоны материала уменьшаются.
Одна из важных проблем при получении покрытий связана со стабильностью свойств плёнки при нормальных условиях после её охлаждения (адгезия, например). Необходимо оптимизировать теплофизические условия синтеза, среди которых важным является вопрос определения температуры поверхности и плазмы. Важно определить температуру поверхности на начальной стадии роста, когда монокристаллы растут свободно перед тем, как вырастет сплошная плёнка. Такой подход позволяет лучше понять механизм зарождения алмазной плёнки [4, 9].
ВЧЕ разряд пониженного давления в метане и смесях метана с инертными газами или водородом часто применяется в технологиях, так как является неравновесной химически активной средой, обладающей рядом преимуществ по сравнению с другими разрядами [19]. Однако это очень сложный объект, требующий применения и экспериментальных, и теоретических методов исследования.
Методы исследования заселенностей энергетических уровней и измерения концентрации атомарного водорода
Заселенность возбужденных уровней является сложной функцией температуры и концентрации, а также зависит от строения рассматриваемой атомной системы. Рассмотрим идеализированную систему, состоящую из основного и одного возбужденного уровней, и не будем учитывать процессы ионизации и рекомбинации [56]. Тогда интенсивность спектральной линии, соответствующей переходу между возбужденным уровнем к и основным уровнем / hi=XkAkihvki, (2.7) где Nk - концентрация возбужденных атомов в состоянии к, А - вероятность спонтанного перехода с частотой v/u, h - постоянная Планка.
Основными процессами возбуждения электронных уровней атомов являются процессы поглощения атомом кванта и столкновения атома со свободным электроном, а девозбуждение происходит в результате спонтанного излучения или при ударах второго рода с электронами. В широком интервале концентраций и температур плазму можно рассматривать как оптически тонкую, т.е. поглощение излучения не учитывать. Тогда в предельных случаях малой и высокой концентраций плазмы заселенность уровней выражается относительно простыми соотношениями и их можно использовать для определения электронной температуры [56].
В случае плазмы высокой концентрации основными процессами возбуждения атомов являются процессы столкновения атома со свободным электроном, а основными процессами девозбуждения являются удары второго рода с электронами, т.е. заселенность уровней описывается формулой Больцмана, что соответствует модели локального термодинамического равновесия [55].
Для оценки заселенностей энергетических уровней атомарного водорода в метансодержащей плазме ВЧЕ разряда измерялись относительные интенсивности линий водорода На, Нр, Ну серии Бальмера с учетом чувствительности регистрирующей системы на соответствующей длине волны.
В случае низкой концентрации к плазме применима корональная модель [58], когда можно пренебречь ударами второго рода, т.е. за каждым актом возбуждения электронным ударом следует девозбуждение в результате спонтанного излучения.
Методом оптической актинометрии из отношения интенсивностей спектральных линий можно определить концентрацию искомого компонента (X) плазмы, в которую в известном небольшом количестве добавлен актинометр (А) - газ с известным спектром и константами возбуждения.
Если излучающие состояния актинометра и исследуемого компонента возбуждаются прямым электронным ударом из основного состояния и имеют близкие потенциалы возбуждения, то в возбуждении этих состояний принимает участие одна и та же группа электронов [59, 60]. Если зависимости сечений возбуждения соответствующих состояний определяемого компонента и актинометра от энергии налетающего электрона є имеют близкий вид, то скорость возбуждения (aQk(s)-Ve) можно представить в виде crmax -( j(s)ve), где атах - сечение процесса возбуждения в максимуме, а(є) - форм-функция, одинаковая для рассматриваемых линий.
Для определения концентрации атомарного водорода в ВЧЕ разряде в метане в качестве актинометра использовался аргон. 2.3. Исследование колебательного и вращательного распределений молекул водорода по структуре спектра а-системы Фулхера
Колебательная и вращательная температуры молекул водорода определялись по структуре спектра а-системы Фулхера, возникающего при переходе между электронными уровнями d П - а . Исследование именно системы Фулхера связано с тем, что для нее хорошо известны излучательные характеристики состояний. Рассмотрение проводится для случая коронального равновесия. Кроме того, преимуществом а-системы Фулхера является то, что молекулярные уровни не изменяются при взаимодействии с другими электронными состояниями, в особенности Q-ветви, для которых разность квантовых чисел для двух уровней равна нулю [61].
Расчеты были сделаны для нескольких значений электронной температуры, чтобы иметь возможность оценить ее влияние на распределение относительных интенсивностей полос. На рис. 2.8 представлены распределения относительных интенсивностей колебательных полос системы Фулхера Н2 при различных значениях электронной температуры и заданной колебательной температуре Tvib=0A эВ, близкой к определенной экспериментально величине (3.5). Значения интенсивностей полос нормированы на величину интенсивности колебательной полосы (1-1). Из рисунка видно, что повышение электронной температуры приводит к уменьшению относительной интенсивности полосы 0-0 и увеличению относительных интенсивностей полос 2-2 и 3-3.
Влияние магнитного поля на интенсивности атомарных спектральных линий и молекулярных полос
Изучалось влияние величины индукции магнитного поля на относительные интенсивности спектральных линий и молекулярных полос, наблюдаемых в спектре излучения ВЧЕ разряда магнетронного типа в аргоне, метане и их смесях.
Расселение возбужденного состояние происходит вследствие спонтанного излучения (т=21 не [72]). Следовательно, интенсивность спектральной линии аргона будет пропорциональна концентрациям атомов аргона и электронов.
Повышение давления при неизменном отношении концентраций метана и аргона приводит к возрастанию концентрации аргона, а усиление магнитного поля приводит к увеличению концентрации электронов [19]. Таким образом, возрастание давления и индукции магнитного поля повышают вероятность столкновения атомов с электронами, что и приводит к увеличению интенсивностей спектральных линий. На рис. 3.4(б,в) представлены зависимости относительных интенсивностей линий атомарного водорода На, Нр, Ну серии Бальмера (б) при давлении 1 Па и зависимости относительных интенсивностей колебательных полос молекулярного водорода Н2 (d3nuv - a3Sgv "; v -v "=0,1,2,3) а-системы Фулхера (в) при давлении 1 и 5 Па, наблюдаемых в спектре излучения ВЧЕ разряда, горящего в метане от индукции магнитного поля. Зависимости относительных интенсивностей линии аргона (а), линий атомарного водорода (б), относительных интегральных интенсивностей системы Фулхера молекулярного водорода (в) и относительных интегральных интенсивностей системы полос (А Д- Х П) радикала СН от индукции магнитного поля в ВЧЕ разряде в метане при давлении 1 и 5 Па. сохраняется тенденция возрастания интенсивности при увеличении индукции магнитного поля. Нелинейность зависимостей может быть связана с тем, что в метане зависимости концентрации электронов от индукции магнитного поля отличаются от линейных. К тому же химические реакции, протекающие в плазме метана, могут вносить вклад как в процессы образования возбужденных состояний атомов и молекул, так и в процессы их гибели.
Как было отмечено ранее (3.1), возбужденные состояния атомарного водорода Н (п=3, 4, 5) и молекулярного водорода Н2 могут образовываться как при диссоциации метана при столкновениях с электронами, так и при прямом возбуждении из основного состояния [12, 71].
Для сопоставления скоростей процессов (3.7) и (3.8) были рассчитаны константы скоростей реакций при помощи пакета Bolsig+ [73, 74]. Для приведенной напряженности электрического поля E/N-50 Тд и смеси 90% СН4+10% Н2 значения констант составляют /=3.6-10- м/с, =4.5-10" м/с. Для оценок констант скоростей реакций плазма метана моделировалась смесью метана и водорода, при этом не учитывалось влияние на вид ФРЭЭ столкновений электронов с остальными молекулами и радикалами вследствие более низких концентраций последних в подобного типа разрядах [49]. Сечение диссоциации метана и сечение возбуждения молекул водорода Н2 (d Пи) прямым электронным ударом из основного состояния взяты из библиотеки программы Bolsig+ [74].
В самом простом случае, когда ВЧЕ разряд горит между плоскими электродами, и поперечный размер гораздо больше межэлектродного расстояния, структуру разряда можно рассматривать в одномерном приближении. В срединной части межэлектродного промежутка плазма электронейтральна, так как при пониженном давлении и характерной для такого типа разрядов электронной температуре 2-3 эВ, дебаевский радиус ( 10" см) много меньше типичных межэлектродных расстояний (1-5 см). Вблизи электродов возникают области пространственного заряда вследствие колебания электронного газа относительно малоподвижных ионов. Избыточное число электронов во всем слое отрицательного заряда в каждый момент времени равно избыточному количеству ионов в слое положительного заряда у другого электрода. В разрядах пониженного давления граница между приэлектродным слоем и электронейтральной плазмой размыта вследствие диффузионного движения электронов. Приэлектродные слои всегда выглядят темнее области плазмы. В катодной фазе, хотя поле сильное, электронов в слоях почти нет, в анодной - много электронов, но поле слабое, а сама фаза длится недолго. В приэлектродной области наблюдается максимум свечения, положение которого можно использовать для оценок границы слоя или толщины приэлектродного слоя [75].
Характеристики ВЧЕ разряда в метане и аргоне
Расчеты характеристик ВЧЕ разряда активированного магнитным полем в метане и аргоне проведены для типичного значения межэлектродного расстояния d = 4см и частоты электрического поля/= 13.56 МГц. Параметры разряда заданы следующим образом: давление р = 10 Па, амплитуда ВЧ напряжения Vrf= 200 В, индукция магнитного поля В = 100 Гс, температура газа ГЯ = 500К.
Библиотека программы SIGLO-rf 1.0 содержит транспортные коэффициенты электронов и ионов аргона и метана как функции приведенного электрического поля Е/р. В расчетах учитываются процессы с участием электронов, приводящие к диссоциации, возбуждению или ионизации частиц газа. При этом в результате ионизации образуются только однократно ионизованные частицы СН4+ и Аг+. Протекание химических реакций в разряде не учитывается. На рис. 4.1 представлено усредненное за ВЧ период пространственное распределение концентрации электронов пе и положительных щ ионов в межэлектродном промежутке разряда в метане (а) и аргоне (б). Из рисунка видно, что в центральной области межэлектродного промежутка плазма квазинейтральна, ne nh а вблизи электродов формируется приэлектродный слой, обусловленный наличием пространственного заряда положительных ионов, пе п(. Средняя за период толщина приэлектродных слоев, оцененная из графиков по границе области наличия пространственного заряда, составляет для метана 0.4 см, а для аргона 0.3 см. Максимальная концентрация заряженных частиц в центральной области межэлектродного промежутка и концентрации заряженных частиц в приэлектродной области в аргоне больше, чем в метане. На рис. 4.2а представлено усредненное за ВЧ период пространственное распределение средней энергии электронов в ВЧЕ разряде в метане и аргоне, на рис. 4.26 - зависимость средней энергии электронов в центральной области плазмы от времени для одного ВЧ периода. Из рис. 4.2а видно, что средняя энергия электронов достигает максимума в приэлектродных областях, при этом для разряда в метане средняя энергия электронов в приэлектродных областях больше, чем для разряда в аргоне и величина этой энергии достигает 13 эВ для метана и 9.2 эВ для аргона. В центральных областях разряда наблюдается обратное соотношение - средняя энергия электронов в разряде в метане меньше, чем в аргоне. ВЧ период пространственное распределение напряженности электрического поля (а) и потенциала (б) в межэлектродном промежутке разряда в метане и аргоне. Из графиков видно (рис. 4.3а), что распределения напряженности электрического поля в разряде в обоих газах близки и отличаются величиной напряженности электрического поля в приэлектродных областях, положительный столб занимает 3А межэлектродного промежутка. При этом величина напряженности электрического поля в положительном столбе разряда составляет 1-Ю В/см, а в приэлектродных областях возрастает до 110-120 В/см в метане и до 340-440 В/см в аргоне. Из графиков на рис. 4.36 видно, что распределения потенциала в межэлектродном промежутке разряда в обоих газах также имеют близкий вид, потенциал в положительном столбе остается практически постоянным, а в приэлектродной области наблюдается падение потенциала. Для метана потенциал в центральных областях разряда меньше, чем для аргона примерно в три раза.
Усредненное за ВЧ период пространственное распределение скорости ионизации в межэлектродном промежутке (а) и зависимость скорости ионизации от времени за один ВЧ период (б) в разряде в метане и аргоне. скоростей соответствующих реакций. В течение периода скорость ионизации меняется по синусоидальному закону с удвоенной частотой ВЧ поля, при этом размах колебаний скорости ионизации в метане составляет 42%, а в аргоне 10% от минимального значения скорости ионизации.
При симметричном включении и одинаковой конфигурации электродов каждый из электродов в течение половины периода является катодом, в течение другой половины периода является анодом. Одинаковая роль обоих электродов в поддержании разряда проявляется в симметричности относительно центра межэлектродного промежутка пространственных распределений концентрации электронов и ионов (рис. 4.1), средней энергии электронов (рис. 4.2а), напряженности и потенциала электрического поля (рис. 4.3), скорости ионизации (рис. 4.4а). Как известно [75], в ВЧЕ разряде электроны совершают дрейфовые колебания в межэлектродном промежутке. Центральная часть разряда в течение всего периода остается квазинейтральной, слои положительного пространственного заряда у электродов меняют свои размеры в соответствии с колебаниями электронного газа. При максимальной толщине слоя у левого электрода, толщина слоя у правого электрода минимальна и наоборот. Все внутренние параметры разряда, такие как потенциал и напряженность электрического поля, концентрации электронов и ионов, энергии заряженных частиц, скорости ионизации и других элементарных процессов с участием электронов, а также их пространственные распределения испытывают колебания в течение периода.
На параметры разряда, а также на их колебания в течение периода большое влияние оказывает род газа, заполняющего межэлектродный промежуток. Расчеты показывают, что средняя энергия электронов (рис. 4.2а), скорость ионизации (рис. 4.4а) испытывают более сильные колебания в разряде в метане (примерно на порядок величины) по сравнению с разрядом в аргоне. Разряд в метане, кроме того, характеризуется более низкой концентрацией и энергией электронов и, соответственно, меньшей скоростью ионизации в области квазинейтральной плазмы по сравнению с разрядом в аргоне. В приэлектродных слоях средняя энергия электронов для разряда в метане существенно выше, чем в разряде в аргоне, однако, скорость ионизации все же остается более низкой, чем в аргоне. В приэлектродных слоях разряда в метане напряженность электрического поля и падение потенциала ниже, чем в аргоне.
