Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |

ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ СМЕСЕЙ АРГОНА И КИСЛОРОДА

Кочетов А.Д., Машков А.В., Зайцев В.В.

vvz@ivgu.polytech.ivanovo.su

Ивановский государственный университет

 

 

Исследование кинетики газовых разрядов смесей аргона и кислорода представляет значительный интерес в связи с широким использованием подобных смесей в промышленности для травления широкого круга неорганических материалов, применяемых в производстве изделий электронной техники. Кроме того, фундаментальные исследования смесей благородных газов с электроотрицательными, имеющих различные пороговые значения энергии ионизации, а с учетом глубины потенциальной ямы молекулы кислорода эта разница пороговых значений энергий ионизации может достигать 8 эВ, имеет и научный интерес для исследования кинетики активационных процессов.

Целью данной работы являлось исследовать влияние добавок кислорода на физические параметры, функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), кинетические характеристики и состав газового разряда. Опорными для расчета данными являлись одно- и двух- зондовые измерения приведенной напряженности электрического поля, средней энергии электронов. Спектральные исследования проводились на установке на базе монохроматора МДР-23 методом актинометрии. Константы скоростей реакций, необходимые для применения данного метода, вычислялись по рассчитанным ФРЭЭ.

Модельные расчеты включали в себя решение кинетического уравнения Больцмана для функции распределения электронов в электрическом поле

,

(1)

где dS - интеграл столкновений, для электронной составляющей в приближении изотропности и стационарности, по методикам работ [1, 2, 3]. В решении учитывались упругие и неупругие соударения, процессы гибели и рождения электронов, возбуждения вращательных уровней молекулы кислорода и электрон- электронные взаимодействия. ФРЭЭ определялась формулами, при условии j(0)=0:

, , ,

(2)

где N - количество электронов, а j(х) которая рассчитывалась по формуле:

,

(3)

где A(e), B(e), H(e) и G(e) имеет следующий вид:

,

.

.

.

Здесь E/N - приведенная напряженность поля, - относительная концентрация i-того вещества, - его транспортное сечение, , Ta - температура газа, В и Qrot - вращательная постоянная и сечение возбуждения вращательных уровней молекулы кислорода, lnL - кулоновский логарифм, Qij - сечение j-того неупругого процесса i-того вещества с порогом uij и заселенностью zij, d(u) - дельта-функция, Ki - константа ионизации i-того вещества.

Наибольшее расхождение в данных по сечениям наблюдаются для процессов ионизации молекул кислорода, в одном из ключевых процессов. Принимая во внимание рекомендации авторов работы [4], были проделаны вычисления таких параметров, как a/N, результаты которых сравнивались с имеющимися литературными данными [5] (Рис. 3). По результатам расчетов было выбрано сечение из работы [6].

Рис. 1. Зависимость физических параметров плазмы аргона и кислорода от состава смеси при I= 5 мА, Р= 2 торр Рис. 2. Зависимость транспортного сечения смесей аргона и кислорода от концентрации аргона в об. %: 1- 100 %, 2- 90 %, 3- 80 %, 4- 60 %, 5- 40 %, 6- 20 %. 7- сечение диссоциативного прилипания к молекуле кислорода с увеличением в 1000 раз.

Во всем интервале токов и давлений до концентрации кислорода в смеси 10 %, напряженность поля падает. Аргон и кислород имеют различные пороговые энергии ионизации (15,76 эВ, 12,077 эВ соответственно), несомненно, что такое изменений физического параметра обусловлено изменением пороговой энергии ионизации, а также участием колебательно- возбужденных молекул кислорода, что снижает энергию еще на 1-5 эВ и приводит к уменьшению E/N на 10-20 %.

Высокая вероятность образования отрицательных ионов в реакциях прилипания, скорость которых возрастает с ростом концентрации кислорода, объясняет рост значения E/N при изменении содержания кислорода до 20 - 30 %. Т.к. появление дополнительного канала увода электронов из тока проводимости затрудняет прохождение тока через газ и необходимо для этого значительно большое поле, растет при этом и средняя энергия электронов.

,

(4)

С дальнейшим ростом концентрации кислорода в смеси напряженность поля опять падает, уменьшается при этом и средняя энергия электронов, что должно было бы привести к снижению тока. Однако, на этом участке сильно возрастет скорость дрейфа электронов, что позволяет силе тока оставаться неизменной.

Рост скорости дрейфа с понижением напряженности поля можно объяснить понижением величины транспортного сечения, обусловленное составом смеси (рис. 2).

В спектре излучения аргон- кислородной плазмы регистрировались многочисленные линии аргона (в качестве опорной была выбрана линия 750,39 нм), однако наибольший интерес вызывали исследования линий и полос кислорода.

Следует отметить, что аргон имеет очень “густой” излучательный спектр, и с убедительной точностью интерпретировать линии кислорода чрезвычайно сложно. Проделанные нами исследования показали, что наибольшей интенсивностью в диапазон 200-800 нм обладают линии атомарного кислорода 777,194; 777,417; 777,539 нм (3р 5Р® 3s 5S0). Вычисленная степень диссоциации кислорода представлена на рис. 4. Как видно из рисунка удовлетворительное согласие расчета и эксперимента достигается в области меньших концентраций аргона. Это подтверждает предположение о том, что при больших концентрациях аргона значительное влияние на формирование состава смеси оказывают метастабильные атомы аргона (3Р2,0, 3Р1) [3]. Увеличение степени диссоциации с уменьшением относительной концентрации кислорода при постоянном значении давления и тока разряда объясняется большими значениями напряженности электрического поля и средней энергии электронов (до 9 эВ). Наблюдаемое расхождение экспериментальных и расчетных данных при значительных концентрациях аргона объясняется, тем что в основе формулы актинометрии лежит положение о том, что возбуждение излучательного уровня происходит прямым электронным ударом. Данное условие выполняется не всегда (хотя авторы работы [7] указывают на возможность учета вклада в возбуждение с других уровней с помощью спектральных или расчетных методов, что в данной смеси это сильно затруднено из-за излучательной способности аргона), в частности при высоких концентрациях аргона в смеси заселение излучательных уровней происходит через вторичные процессы, так как пороговая энергия первого метастабильного уровня аргона около 11,6 эВ, а энергия излучательного уровня только 10 эВ. Таким образом, в условиях данной работы основным процессом заселения является передача возбуждения от аргона к кислороду.

Ar* + O(3P) ® Ar + O(3р 5Р),

(5)

Кроме того, образование излучательных атомов кислорода может происходить через диссоциацию,

Ar* + O2(un) ® Ar + O(3P) + O(3р 5Р),

(6)

так как энергия диссоциации и возбуждения с участием колебательного состояния ниже энергии возбуждения аргона. При соизмеримых концентрациях аргона и кислорода, на процесс возбуждения атомов кислорода данный процесс влиять в значительной степени не может. Это объясняет согласие экспериментальных и расчетных данных при соизмеримых концентрациях аргона и кислорода.

Стоит отметить, что подобная зависимость относительной концентрации наблюдалась в смеси кислорода с азотом для О2(1Dg) [8]. Энергии ионизации аргона и азота практически одинаковы - 15,76 и 15,58 эВ соответственно.

Рис. 3. Таунсендовский коэффициент ионизации в кислороде: 1 - [9], 2 - данная работа. Рис. 4. Зависимость степени диссоциации молекул кислорода в плазме от состава смеси аргона, кислорода и озона.

Литература

  1. Машков А.В. // Физическая мысль России. М.: МГУ. 1995. № 1. С. 41-49.
  2. Зайцев В.В. // Теплофизика высоких температур. 1989. Т. 27. № 5. С. 842-866.
  3. Зайцев В.В., Машков А.В. // Журн. физ. химии. 1997. Т. 71. № 8. С. 1516-1518.
  4. Максимов А.И., Менгаришвили В.М., Рыбкин В.В. // Физика плазмы. 1981. Т. 7. В. 2. С. 289-295.
  5. Mazek K. // Czech. J. Phys. 1984. Bd. 34. P. 655-664.
  6. Rapp D., Briglia D. // J. Chem. Phys. 1965. V. 43. P. 1480-1489.
  7. Максимов А.И., Рыбкин В.В. // Журнал прикладной спектроскопии. 1982. Т. 38. № 1. С. 33-38.
  8. Клоповский К.С., Ковалев А.С., Лопаев Д.В. и др. // Физика плазмы. 1992. Т. 18. В. 12. С. 1606-1616.
  9. Mazek K., Ruzicka T., Laska L. // Czech. J. Phys. 1977. Bd. 27. № 8. P. 888-898.

 

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |