ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 2, с. 210-214
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9.03
КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ АЗОТА В СОСТОЯНИИ C3nu В ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ СВЧ-ПЛАЗМЕ В АЗОТЕ ПРИ ДАВЛЕНИЯХ 1-5 ТОРР © 2013 г. Ю. А. Лебедев, И. Л. Эпштейн, Е. В. Юсупова
Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Москва, Россия
e-mail: lebedev@ips.ac.ru Поступила в редакцию 28.05.2012 г. Окончательный вариант получен 02.07.2012 г.
Излучение второй положительной системы азота использовано для исследования пространственного распределения колебательного распределения молекул азота в состоянии С3Пи в приповерхностном слое плазмы электродного СВЧ-разряда в азоте при давлениях 1—5 Торр. Показано, что колебательное распределение изменяется на масштабах 100 мкм. Сделан вывод о том, что заселение этого состояния идет под действием электронного удара из основного состояния. Проанализированы возможности использования локального приближения для функции распределения электронов по энергиям для объяснения результатов экспериментов.
DOI: 10.7868/S0367292113010022
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время неравновесная СВЧ-плаз-ма пониженного давления находит широкое применение для решения различных задач плазмохи-мии, плазменной аэродинамики и др. Часто в этих задачах плазма создается вблизи поверхностей разной природы (например, в процессах очистки поверхности, осаждения покрытий, травления) и именно приповерхностная плазма определяет эффективность процессов [1]. Такая плазма, как правило, сильно неоднородна и ее диагностика требует применения методов высокого пространственного разрешения. В настоящей работе методом эмиссионной спектроскопии исследовано колебательное распределение молекул в состоянии С3Пи в слое плазмы вблизи антенны-электрода в электродном СВЧ-разряде в азоте при давлениях 1—5 Торр.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения проводились на установке ЭМР-3, детально описанной в [2—4]. Разрядная камера представляет собой металлический цилиндр из нержавеющей стали диаметром 15 см. С торца верхней части разрядной камеры через вакуумный переход вводится электрод-антенна, медная цилиндрическая трубка диаметром 5 мм. Электромагнитная волна с мощностью до 180 Вт и частотой 2.45 ГГц в режиме непрерывной генерации вводилась в разрядную камеру с помощью коак-сиально-волноводного перехода. СВЧ-тракт
включал в себя циркулятор, измерительную линию и измеритель падающей мощности Р-т.
Камера снабжена окнами для наблюдения разряда. Схема измерения показана на рис. 1. ЭМР зажигался у конца электрода-антенны. Светящаяся область разряда представляет собой радиаль-но-симметричную структуру с яркой приэлек-тродной областью (область самостоятельного разряда, в которой проводились измерения) и шаровой внешней областью с резкой границей (область несамостоятельного разряда). Шаровая область окружена темным пространством, простирающимся вплоть до стенки разрядной камеры. Область, занимаемая светящейся плазмой, много меньше объема камеры. Эмиссионные
Рис. 1. Схема измерений: 1 — электрод/антенна, 2 — светящаяся разрядная зона, 3 — коллиматор, 4 — световод, 5 — спектрограф ЛУЛ8РЕС-2048.
КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ АЗОТА
211
относительная заселенность уровней
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 колебательная энергия, эВ
Рис. 2. Колебательное распределение молекул азота в состоянии С3Пи при давлении 1 Торр и падающей мощности 80 Вт на разных расстояниях от электрода по оси г: 1 — 0.04 мм, 2 — 0.12 мм, 3 — 0.24 мм.
спектры ЭМР регистрировались спектрометром Ауа8рес-2048 со спектральным диапазоном 200— 700 нм, разрешение 10 А. Кварцевый конденсор проецировал изображение плазмы в плоскости расположения входной апертуры подвижного световода. Световод мог перемещаться вдоль направлений, параллельных оси разрядной системы, совпадающей с осью электрода и в радиальном направлении с пространственным разрешением системы не хуже 0.10 мм. Регистрировалось интегральное вдоль оси наблюдения излучение плазмы.
Исследование проводилось в проточной системе. Напуск азота осуществлялся через канал в крышке камеры. Он контролировался и управлялся расходомером. Расход газа составлял 70 см3/мин при нормальных условиях. Давление в разрядной камере поддерживалось в пределах 1—5 Торр и измерялось баратроном (Вага1гоп). Стабилизация давления осуществлялась регулируемым клапаном, включенным в систему автоматического управления. Основное внимание в настоящей работе уделялось изучению приэлек-тродной области ЭМР.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Распределения молекул азота в состоянии С3П по колебательным уровням получены по ин-тенсивностям излучения полос второй положительной системы азота (секвенция с А V = 2, полосы с максимумами интенсивностей при 380, 375, 370, 367 и 364 нм) с использованием известных вероятностей излучения из [5]. Заметим, что поскольку интенсивность излучения полосы излу-
относительная заселенность уровней
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
колебательная энергия, эВ
Рис. 3. Колебательное распределение молекул азота в состоянии С3Пи при давлении 2 Торр и падающей мощности 60 Вт на разных расстояниях от электрода по оси г: 1 — 0.04 мм, 2 — 0.12 мм, 3 — 0.24 мм.
чения с четвертого колебательного уровня мала, погрешность определения концентрации молекул в состоянии С3Пи (V = 4) велика. Эксперименты показали, что в тонком слое приэлектродной плазмы колебательное распределение молекул азота в состоянии С3Пи обедняется по сравнению с распределением, полученным на расстоянии 0.04 мм, молекулами на всех уровнях, начиная с V = 1, при удалении от электрода вдоль оси разряда. Эта закономерность не зависит от падающей мощности. Некоторые результаты для давлений 1 и 2 Торр представлены на рис. 2 и 3. При давлении 5 Торр колебательное распределение принципиально не отличается от приведенных на рис. 2 и 3, но получить пространственное изменение распределений из-за уменьшения толщины слоя и ограниченного пространственного разрешения измерительной системы не представилось возможным.
Для объяснения полученных результатов нужно проанализировать известные данные о структуре приэлектродного слоя плазмы ЭМР [2—4]. Двумерное моделирование показало, что при давлении 1 Торр в тонком приповерхностном слое порядка 1 мм напряженность СВЧ-поля растет при удалении вдоль оси г от электрода, достигает максимума и затем уменьшается [6]. Возрастание поля связано плазменным резонансом в области, где концентрация электронов достигает критической концентрации для частоты СВЧ-поля (пс = = 7.45 х 1010 см-3). Максимум достигается на расстояниях порядка 0.5 мм от торца электрода. Концентрация электронов и концентрации метаста-бильных молекул азота в состоянии А3Еи монотонно растут в слое при удалении от электрода.
212
ЛЕБЕДЕВ и др.
Аксиальное распределение концентрации молекул азота в состоянии С3Пи сходно с распределением СВЧ-поля, но его максимум несколько удален от электрода, поскольку уменьшение СВЧ-поля вблизи максимума компенсируется увеличением концентрации электронов. В приэлектрод-ном слое напряженность СВЧ-поля достаточно велика (расчеты показали, что напряженность поля достигает 600 В/см), и поэтому определяющими процессами являются процессы под действием прямого электронного удара.
Колебательное распределение молекул азота в состоянии С3Пи может формироваться под действием электронного удара при возбуждении из основного состояния молекул азота, а также при участии электронно-возбужденных молекул (например, молекула азота в состоянии А32и). Наблюдаемые изменения колебательного распределения в пространстве могут быть обусловлены несколькими причинами.
Прежде всего, при возбуждении электронным ударом из основного состояния, эти изменения могут быть связаны с изменением колебательного распределения основного состояния, причем колебательная температура первых уровней должна уменьшаться при удалении от электрода в слое. Однако расчеты показали, что напряженность СВЧ-поля и концентрация электронов растут, поэтому влияние колебательного распределения молекул в основном состоянии представляется маловероятным.
Кроме того, изменение может быть связано с изменением соотношения прямого возбуждения электронным ударом из основного состояния и возбуждения с участием двух молекул азота в состоянии А32и. Как показано выше, СВЧ-поле и концентрация электронов растут при удалении от электрода, так что роль электронного удара должна расти. При этом должна расти и концентрация молекул азота в состоянии А32и. Однако при возможном заселении состояния С3Пи при столкновении двух молекул в состоянии А32и трудно объяснить наблюдаемое в экспериментах изменение колебательного распределения молекул в состоянии С3Пи. Поэтому механизм возбуждения с участием молекул в состоянии А32и представляется маловероятным и основным каналом возбуждения является возбуждение электронным ударом из основного состояния молекулы азота.
Предположение о возбуждении состояния С3Пи электронным ударом может быть использовано для расчета колебательного распределения молекул этого состояния. Такой подход был использован, например, в [7], для анализа механизма заселения колебательных уровней состояния С3Пи в положительном столбе разряда постоянного тока при давлениях, меньших 3 Торр. В этой
же работе моделировалось колебательное распределение молекул азота в состоянии С3Пи заселяемого при столкновении двух молекул в состоянии А32и. Сравнение с результатами экспериментов показало, что заселение с участием молекул в состоянии А32и не объясняет измеренные распределения. Сходные проблемы рассматривались в [8, 9]. В расчетах [7] считалось, что коэффициенты возбуждения колебательных уровней состояния С3Пи электронным ударом отличаются как вероятности переходов (коэффициенты Франка— Кондона) и имеют одинаковые пороги возбуждения, соответствующие порогу возбуждения нулевого уровня. Это означает, что для электронного удара распределение является универсальным и не зависит от параметров разряда.
Нами при расчете коэффициентов возбуждения различных колебательных уровней состояния С3Пи электронным ударом принят следующий
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.