научная статья по теме ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОГО СОСТАВА СМЕСИ МЕТАН–АРГОН НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СОСТАВ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОГО СОСТАВА СМЕСИ МЕТАН–АРГОН НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СОСТАВ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА»

УДК 537.525

ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОГО СОСТАВА СМЕСИ МЕТАН-АРГОН НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СОСТАВ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА © 2015 г. А. М. Ефремов, О. А. Семенова, С. М. Баринов

ФГБОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет"

E-mail: efremov@isuct.ru Поступила в редакцию 27.02.2014 г.

Проведено исследование стационарных параметров и состава плазмы тлеющего разряда постоянного тока (p = 40—200 Па, i = 30—70 мА) в смесях CH4—Ar переменного состава методами зондовой диагностики и математического моделирования. Получены данные по влиянию начального состава плазмообразующей смеси на приведенную напряженность электрического поля, энергетическое распределение электронов, константы скоростей процессов при электронном ударе, стационарные концентрации и плотности потоков нейтральных и заряженных частиц.

DOI: 10.7868/S0040364414060088

ВВЕДЕНИЕ

Низкотемпературная газоразрядная плазма смесей метана с инертными и молекулярными газами имеет широкий спектр применения в различных областях современных наукоемких технологий. В частности, плазменные системы CH4—Ar и CH4—H2—Ar используются при производстве изделий интегральной микро- и нано-электроники для "сухого" структурирования поверхности ряда полупроводников, металлов и их оксидов [1—3]. Основным преимуществом метан-содержащей плазмы по сравнению с галогенсо-держащими плазмообразующими средами является сочетание высокой анизотропии и полирующего характера травления [4]. Кроме этого, смеси CH4 c двуокисью углерода [5], водородом [6—9], азотом [10] и аммиаком [6] используются для плазмохимического осаждения поли- и монокристаллических алмазоподобных углеродных пленок, углеродных нанотрубок и нановолокон.

Реализация всех упомянутых технологий требует понимания взаимосвязей внешних (задаваемых) параметров плазмы и ее внутренних электрофизических характеристик, формирующих стационарные концентрации заряженных и нейтральных частиц. По этой причине кинетика и механизмы плазмохимических процессов в метане являлись объектами внимания многих исследователей (например, [11—16]), включая работы [17, 18]. Смеси метана с аргоном подробно изучались в цикле публикаций сотрудников ИНХС РАН им. А.В. Топчиева по плазменной полимеризации углеводородов (например, [12, 19—24] и др.), результаты которых частично обобщены в обзорной статье [25]. Из анализа этих работ можно заключить, что для систем CH4 и CH4—Ar в целом

сформированы наборы процессов, определяющих стационарный состав плазмы в электрических разрядах различной природы, выявлены основные кинетические закономерности образования и гибели нейтральных и заряженных частиц, определены зависимости их концентраций от внешних параметров разряда (расход газа, давление, вкладываемая мощность). Необходимо отметить, однако, что большинство исследований плазмы СН4—Аг касаются смесей фиксированного (либо варьируемого в узких пределах) начального состава, при этом вопросы влияния именно начального состава смеси на электрофизические параметры плазмы и концентрации активных частиц при постоянных внешних параметрах разряда не получили должного внимания. Очевидно, что механизм такого влияния может проявляться через изменение энергетического распределения и концентрации электронов в плазме [26, 27], а понимание закономерностей происходящих при этом физико-химических процессов существенно упростит оптимизацию состава плазмообразу-ющих смесей для тех или иных технологических приложений. Кроме того, упомянутые работы не акцентируют внимание на параметрах, важных для анализа кинетики плазмохимического травления в системе СН4—Аг. Все это обусловливает необходимость дополнительных исследований физико-химических свойств плазмы в смесях метана с аргоном.

Целью данной работы являлся анализ влияния начального состава смеси СН4—Аг на электрофизические параметры плазмы и концентрации активных частиц в условиях тлеющего разряда постоянного тока. Для этого была разработана самосогласованная модель плазмы, обеспечивающая

верификацию получаемых результатов при сравнении расчетных и экспериментальных значений приведенной напряженности электрического поля. Еще одной особенностью исследования является использование новых и/или уточненных данных по сечениям процессов под действием электронного удара для СН4 [28] и продуктов плазмохимических реакций [29], которые были недоступны авторам работ [12, 19—22].

МЕТОДИКА

Экспериментальная установка и измеряемые параметры. Плазма тлеющего разряда постоянного тока возбуждалась в стеклянном цилиндрическом (г = 1.3 см, I = 54 см) проточном реакторе. В качестве источника СН4 использовался природный метан. Начальный состав смеси СН4—Аг задавался парциальными давлениями компонентов р. Мольные доли компонентов исходной смеси определялись как у = р/р, где р — общее давление газа. Варьируемыми параметрами разряда служили ток (/ = 30—50 мА) и общее давление (р = 40— 200 Па). Расход газа q поддерживался постоянным на уровне 0.01 см3/с (при нормальных условиях). Напряженность электрического поля Е в зоне положительного столба на оси разряда измерялась методом зондов Лангмюра. Температура газа Т определялась спектральным методом по неразрешенной вращательной структуре полосы N (С3Пи — БЪП&, 0-2) [22]. При определении приведенной напряженности поля Е/Ы, где N=р/квТ— общая концентрация частиц в реакторе, и при моделировании разряда проводилось усреднение температуры и концентраций частиц в предположении о заданных (бесселевских) профилях радиального распределения этих параметров.

Моделирование плазмы. Моделирование плазмы базировалось на совместном решении стационарного кинетического уравнения Больцмана (без учета электрон-электронных соударений и ударов второго рода), уравнений химической кинетики нейтральных и заряженных частиц, а также уравнения электропроводности плазмы с учетом условия квазинейтральности [30, 31]. Решение уравнения Больцмана проводилось в двухкомпо-нентном (только СН4 и Аг) приближении по нейтральным невозбужденным частицам. Допустимость однокомпонентного подхода к плазме чистого метана обусловлена низкими степенями диссоциации СН4 в исследованном диапазоне условий [17, 18]. Кроме этого, предварительные расчеты показали, что при 0—95% Аг процессы под действием электронного удара с участием продуктов разложения метана не оказывают существенного влияния на вид ФРЭЭ и баланс скоростей образования-гибели электронов в силу малых (по сравнению с СН4 и Аг) концентраций соответствующих частиц. Список реакций, име-

ющих принципиальное значение при формировании электрофизических параметров и состава плазмы CH4-Ar в исследованном диапазоне условий, представлен в табл. 1. Константы скоростей реакций под действием электронного удара (R1-R19) определялись по известным сечениям процессов [28, 29, 32]. Константы скоростей атомно- и радикально-молекулярных реакций (R30-R44) заимствовались из открытой базы данных [33] для T ~ 450 К. Константы скоростей тушения метастабильных атомов Ar*(3P0-2) на атомах Ar (R20), молекулах CH4 (R21) и H2 (R26) взяты из справочника [34]. Константы скоростей реакций R22-R25 принимались равными R21.

Выходными параметрами модели служили стационарные значения E/N, функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), интегральные характеристики электронного газа (средняя энергия 8, скорость дрейфа ve, приведенные значения коэффициента свободной диффузии DeN и подвижности ^N), константы скоростей элементарных процессов и средние по объему плазмы концентрации частиц. Критерием окончания расчета по параметру E/N служило выполнение баланса суммарных скоростей образования (R7 + R8 + R18 + R19 + R15 + R28) и гибели (R6 + R46) электронов. Частота гетерогенной гибели k46 определялась в приближении эффективного коэффициента диффузии D'e какk46 ~ D'e(2.405/r)2, где

D'e = De(V + /Ve) - ^ - 1-+ in ^ О R -1 + (И + / Ие)( 1 + 2 Р)

и р = n-/ne. Эффективная подвижность положительных ионов оценивалась по закону Бланка с использованием индивидуальных подвижно-

стей для CH+ и Ar+. Более подробное описание алгоритма моделирования приведено в работах [30, 31].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как можно видеть из рис. 1, изменение начального состава смеси от чистого метана к чистому аргону приp, i = const приводит к более чем двукратному монотонному снижению стационарных значений E/N (например, от 10.5 х 10-16 до 3.1 х 10-16 В см2 при = 0-100% для p = 100 Па, i = 50 мА). Это связано с одновременным снижением частот объемной к6пСщ и гетерогенной (диффузионной) k46 гибели электронов. Найденная в экспериментах и расчетах слабая зависимость E/N от i характерна для диффузионного (к6пСщ < k46) режима плазмы. Удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений E/N позволяет говорить о корректном модельном описании стационарных электрофизических параметров плазмы.

Таблица 1. Процессы, оказывающие определяющее влияние на вид ФРЭЭ и стационарный состав плазмы СН4/АГ

Процесс

R1 СН4 + е = CH4(V2-4) + е

R2 СН4 + е = CH4(V1-3) + е

R3 СН4 + е = СНз + Н + е

R4 СН4 + е = СН2 + Н2 + е

R5 СН4 + е = СН + Н2 + Н + е

R6 СН4 + е = СНз + Н—

R7 СН4 + е = С Н+ + 2е

R8 СН4 + е = С Н+ + Н + 2е

R9 СНз + е = СН2 + Н + е

R10 С2Н2 + е = СН + СН + е

R11 С2Н4 + е = СН2 + СН2 + е

R12 С2Н6 + е = С2Н5 + Н + е

R13 СзН8 + е = С2Н4 + СН4 + е

R14 Н2 + е = Н + Н + е

R15 Н— + е = Н + 2е

R16 Аг + е = Аг*(зР0_2) + е

R17 Аг + е = Аг* + е

R18 Аг + е = Аг+ + 2е

R19 Аг*(зР0—2) + е = Аг+ + 2е

R20 АГ*(зР0—2) + АГ = АГ + АГ

R21 АГ*(зР0—2) + СН4 = СНз + Н + АГ

R22 Аг*(зР0—2) + С2Н2 = СН + СН + аг

R23 Аг*(зР0—2) + С2Н4 = СН2 + СН2 + аг

К24 аг*(зРС—2) + С2Н6 = С2Н5 + Н + аг

R25 Аг*(зР0—2) + сзн8 = С2Н4 + СН4 + аг

R26 Аг*(зР0—2) + Н2 = Н + Н + аг

R27 Аг*(зР0—2) ^ стенка

R28 Н— + Н = Н2 + е

R29 Н— + СН+, СН+, Аг+ = нейтральные продукты

R30 СН4 + СН2 = СНз + снз

R31 СН4 + СН2 = С2Н4 + Н2

R32 СН4 + СН = С2Н5

R33 сн4 + Н = СНз + н2

R34 СН3 + СН3 = С2Н6

R35 снз + сн2 = с2н4 + н

R36 снз + н = сн4

R37 СН3 + С2Н5 = С3Н8

R38 СН3 + С2Н5 = С2Н4 + СН4

R39 сн + н2 = н + сн2

R40 С2Н4 + Н = С2Н5

R4

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»