Пространственные и временные характеристики плазмы электроотрицательных газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Плазма в электроотрицательных газах.

1.1. Обзор литературы.

1.2. Элементарные процессы, происходящие в тлеющем разряде в кислороде.

1.3. Система уравнений баланса, постановка и вывод граничных условий.

1.4. Методы решения

1.5. Искажения при зондовых измерениях в электроотрицательных газах.

Глава 2. Параметры плазмы стационарного разряда в электроотрицательных газах.

2.1. Особенности пространственного распределения параметров стационарной разрядной плазмы в электроотрицательных газах.

2.2. Правила подобия для плазмы стационарного положительного столба разряда в электроотрицательных газах.

2.3. Сопоставление кинетического и гидродинамического подходов при моделировании плазмы положительного столба кислородного DC разряда.

Глава 3. Пространственные и временные характеристики эволюции параметров распадающейся плазмы электроотрицательных газов.

3.1. Эволюция профилей концентраций и потоков заряженных частиц при распаде плазмы электроотрицательных газов.

3.2. Диффузионный распад электроотрицательной плазмы при низких давлениях.

3.3. Влияние отлипания на диффузионный распад электроотрицательной плазмы низких давлений.

3.4. Динамика образования ион-ионной плазмы при импульсном режиме работы реакторов для плазменного травления.

Глава 4. Влияние пылевых частиц на функцию распределения электронов.

4.1. Основные скейлинги (законы подобия) для параметров пылевой плазмы.

4.2. Основные особенности формирования ФРЭЭ в газоразрядной плазме низкого давления.

4.3. Методы решения кинетического уравнения.

4.4. Влияние пылевых частиц на функцию распределения электронов. Выводы.

Цитированная литература.

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 процессов; разработка 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 1998г.).

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

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

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

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

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