§ 4.6 Низкотемпературная газовая плазма

Низкотемпературная газовая плазма (НГП) – это слабоионизованный газ при давлениях 10^-1- 10³ Па со степенью ионизации порядка 10^-6– 10^-4 (концентрация электронов 10¹⁵– 10¹⁸м^-3), в котором электроны имеют среднюю энергию 1 – 10 эВ (температуру порядка 10⁴– 10⁵К), а средняя энергия тяжелых частиц газа (ионов, атомов, молекул) на два порядка меньше. Такое состояние, когда Т_э>> Т_и=Т_г, поддерживается при небольшой мощности выделения джоулевой теплоты вследствие относительно большой теплоемкости газа тяжелых частиц и быстрого выноса теплоты из заряда.

НГП может генерироваться в разрядах, возбуждаемых постоянным электрическим полем, и примыкающих к ним разрядах на низкой частоте (10²– 10³Гц), в ВЧ – (10⁵– 10⁸Гц), СВЧ – (10⁹– 10¹¹Гц) разрядах и в электромагнитных полях оптического диапазона частот (10¹³– 10¹⁵Гц) (см. рис.). НГП инертных газов содержит атомы, электроны, ионы и возбужденные атомы, а НГП молекулярных газов, кроме того, еще и образовавшиеся в результате диссоциации молекул свободные атомы и радикалы. Свободные атомы и радикалы имеют неспаренный электрон на внешней валентной оболочке и поэтому проявляет высокую химическую активность, вследствие чего их часто называют химически активными частицами (ХАЧ). Количественно состояние диссоциации характеризуется степенью диссоциации:

α_д =n_хач/ n_00,

где n_хач– концентрация ХАЧ в плазме.

Низкая степень ионизации НГП (концентрация электронов) α_и= 10^-6– 10^-4находится в несоответствии с относительно высокой электронной температурой (1 – 10 эВ). Это связано с тем, что процесс рекомбинации при тройном столкновении с участием двух электронов не уравновешивает скорость ионизации электронным ударом. Существует другой, на несколько порядков более быстрый процесс гибели электронов (диффузия к стенкам с последующей рекомбинацией на поверхности), который препятствует нарастанию степени ионизации до равновесного значения. В молекулярных газах гибель электронов может происходить также в результате диссоциативной рекомбинации в парных столкновениях.

Иначе обстоит дело со степенью диссоциации (концентрацией ХАЧ) в НГП, которая в равновесии должна соответствовать низкому значению Т_г. Однако, из – за присутствия высокоэнергетических по сравнению с частицами газа электронов в стационарном состоянии концентрация ХАЧ (а также продуктов их реакций) в плазме может существенно отличаться от термодинамически – равновесной, в частности может значительно превышать последнюю. В образовании ионов и ХАЧ в НГП помимо электронов могут принимать участие возбужденные атомы и молекулы, находящиеся главным образом в метастабильном (долгоживущем) состоянии.

Рекомбинация заряженных частиц и ХАЧ может происходить внутри плазмы (гомогенная рекомбинация) и на ограничивающих ее поверхностях (гетерогенная рекомбинация), из которых выделим специально обрабатываемые плазмой поверхности. Обозначая скорости генерации ионов и ХАЧ электронным ударом соответственно G_и._э. иG_хачэ, скорости генерации возбужденными метастабильными частицамиG_и._м. иG_хачм, скорости их гомогенных рекомбинацийR_и.гом. иR_хачгом., скорости гетерогенной рекомбинации на ограничивающих плазму поверхностяхR_и.гет. иR_хачгет., скорости гетерогенной рекомбинации на обрабатываемых поверхностяхR_и.п. иR_{хач п,} получаем уравнения для расчета стационарных концентраций заряженных частиц и ХАЧ:

G_и._э. +G_и._м. =R_и.гом.+R_и.гет.+R_и.п.

G_хачэ +G_хачм=R_хачгом. +R_хачгет+R_{хач п}

Нас прежде всего интересуют возможности НГП для проведения гетерогенных физико – химических процессов обработки на границе раздела газ (газовая плазма) – твердое тело. При проведении таких процессов можно выделить три случая:

1. НГП является одновременно средой проведения, источником участвующих в процессе частиц и стимулятором (активатором) процесса,

2. НГП служит только источником участвующих в процессе частиц,

3. НГП используется только для активации участвующих в процессе частиц, поверхностей или для стимуляции самого процесса.

В первом случае обрабатываемая поверхность твердого тела находится в контакте с плазмой, во – втором - вне плазмы, а в третьем – возможны оба варианта.

В зависимости от вида плазмообразующего газа и природы поверхности твердого тела в каждом из трех перечисленных случаев с помощью НГП могут быть реализованы различные процессы обработки (рис.). Эти процессы можно объединить в три большие группы:

1. удаление материала с поверхности твердого тела (все виды распыления, травления и очистки),

2. нанесение материала на поверхность твердого тела (химическое из газовой фазы, физическое из материала мишени, физико – химическое из материала мишени, модифицируемого в газовой фазе),

3. модификация поверхностного слоя твердого тела (окисление, анодирование, нитридизация, легирование другими элементами, гетерирование, отжиг, текстурирование).

Внешние и внутренние параметры плазмы характеризуют макроскопическое и микроскопическое описание. Если для решения технологических задач достаточно знание зависимостей химических свойств плазмы от внешних параметров (давление, энерговклад, ток, геометрия, температура и т.д.), то теоретическая плазмохимия, как правило, оперирует внутренними параметрами плазмы (концентрация частиц, распределение частиц по внутренним сосотояниям, по энергиям поля в плазме и др.). Нахождение связей внутренних и внешних параметров плазмы является одной из важнейших задач плазмохимии.