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.
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:
|
где N - количество электронов, а j(х) которая рассчитывалась по формуле:
|
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
[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |