Пространственные и временные характеристики плазмы электроотрицательных газов

Актуальность темы

Уникальные свойства плазмы, как 4-го состояния вещества, обладающего более экстремальными параметрами и большим числом возможностей для различных селективных и управляющих воздействий по сравнению с тремя традиционными состояниями вещества — твердым, жидким и газообразным, приводят к тому что плазменные технологии в современных условиях выходят на первый план. Поэтому XXI-й век по праву ожидается веком плазменных технологий в силу их значительных преимуществ перед традиционными, например, химико-технологическими. К настоящему времени общепризнанно, что дальнейший прогресс в развитии современных плазменных технологий возможен только на базе новых фундаментальных разработок. Наиболее актуальными на сегодняшний день являются исследования пространственных и временных характеристик многокомпонентной плазмы и, в первую очередь — плазмы, содержащей отрицательные ионы, поскольку практически во всех современных плазмохимических реакторах, используемых для получения новых материалов, используются электроотрицательные газы. Да и сам атмосферный воздух, как известно, содержит кислород, являющийся электроотрицательным газом.

Дальнейший прогресс промышленной электроники, в частности, производство сверхбольших интегральных микросхем, требует постоянного уменьшения их размеров при высоком разрешении технологических элементов. Это требует как высокой степени анизотропии, так и высокой селективности процесса плазменного травления. К настоящему времени установлено, что наибольший прогресс достигается при переходе к импульсному режиму питания различных приборов и устройств. Изменениями длительности активной фазы и скважности разряда, вкладываемой мощности и других параметров, удается достаточно тонко и гибко управлять различными характеристиками плазмы. В то же время, если импульсные разряды в однокомпонентных газах, плазма которых не содержит отрицательных ионов, исследованы достаточно хорошо, то в многокомпонентных — недостаточно.

Целью настоящей работы являлось: исследование пространственных и временных характеристик плазмы электроотрицательных газов с учетом как процессов переноса, так и объемных плазмохимических процессовразработка эффективных методов решения задач многокомпонентной диффузии в плазме, сочетающих численное моделирование с аналитическим подходом, и их использование для описания пространственной и временной эволюции параметров импульсных разрядов. При этом рассматривались как стационарные условия, так и анализировались различные сценарии распада плазмы электоотрицательных газов.

Научная новизна и практическая ценность работы заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ формирования параметров плазмы стационарного разряда в электроотрицательных газах. Проанализированы условия реализации больцмановского распределения отрицательных ионов в плазме.

2. В рамках гидродинамической модели выполнены симуляции ICP разряда в кислороде в широком диапазоне условий, типичных для работы промышленных плазмохимических реакторов. Получены правила подобия, позволяющие по заданным внешним параметрам pL и W быстро оценить наиболее важные характеристики плазмы, в частности, температуру и концентрацию электронов и степень электроотрицательности.

3. С помощью программного обеспечения CFDRC (http://www.cfdrc.com/~cfdplasma), позволяющего проводить симуляции в произвольной пространственной геометрии как в рамках гидродинамической модели, так и с решением кинетического уравнения для нахождения функции распределения электронов, проведено сопоставление кинетического и гидродинамического подходов при моделировании плазмы положительного столба разряда в кислороде. Для практического использования предложена и обоснована двухтемпературная модель, позволяющая учесть наиболее важные кинетические эффекты в рамках традиционной гидродинамической схемы расчета.

4. Исследованы различные сценарии пространственной и временной эволюции импульсной плазмы электроотрицательных газов, используемой в современных плазменных технологиях. Показано, что распад плазмы электроотрицательных газов происходит в две стадии. Это дало возможность дать альтернативное объяснение ряду наблюдаемых ранее практически важных явлений и эффектов.

5. Впервые показано, что в случае малоподвижных отрицательных ионов формируется немонотонный профиль концентрации электронов, который в принципе не может наблюдаться в обычной двухкомпонентной плазме.

6. Впервые показана реализация отлипательного режима распада плазмы электроотрицательных газов с переходом к электрон-ионной плазме на второй стадии распада.

7. Проанализировано влияние пылевых частиц на функцию распределения электронов и показана сильная корреляция между потенциалом макрочастиц и потенциалом ионизации газа, что не учитывается в известных нам литературных данных.

Основные защищаемые положения. На защиту выносятся следующие научные положения, разработанные соискателем:

1. Корректные граничные условия для уравнений баланса, описывающих эволюцию плазмы электроотрицательных газов.

2. Правила подобия для плазмы электроотрицательных газов.

3. Двухтемпературная гидродинамическая модель (2Tfluid model) и ее использование для практических расчетов.

4. Двухстадийный характер распада плазмы электроотрицательных газов. При малой роли объемных процессов по сравнению с процессами переноса, на первой стадии плазма расслаивается на области с различным ионным составом, при этом полное число отрицательных ионов сохраняется. На второй стадии электроны отсутствуют и эволюция плазмы определяется ион-ионной амбиполярной диффузией.

5. Сценарии распада при наличии плазмохимических реакций.

6. Влияние пылевых частиц, которые во многих отношениях подобны массивным отрицательным ионам, на функцию распределения электронов.

Апробация работы и публикации. Материалы изложенные в диссертации докладывались на следующих отечественных и международных конференциях:

Апробация работы и публикации. Материалы изложенные в диссертации докладывались на следующих отечественных и международных конференциях:

1) Конференция по физике низкотемпературной плазмы «Плазма — XX век» (ФНТП-98, Петрозаводск, июнь 1998 г.).

2) Семинар «Компьютерное моделирование процессов в низкотемпературной плазме» (Петрозаводск, сентябрь 1999 г.).

3) Семинар «Пылевая плазма — новая актуальная проблема фундаментальной физики» (Петрозаводск, август-сентябрь 2000 г.).

4) Международная конференция «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, сентябрь 2000 г.).

5) Конференция по газовой электронике GEC-00 (USA, Houston, октябрь 2000, 2001 г.),.

6) 29th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), 2P12. Banff, Alberta, Canada May 26 — 30, 2002. а так же на семинарах в СПбГТУ и МГУ.

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях и 5 тезисах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 168 страниц машинописного текста, включая 53 рисунок и 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 137 наименований.

Выводы.