Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции / Лекция4 / Лекция4.doc
Скачиваний:
67
Добавлен:
16.04.2013
Размер:
73.73 Кб
Скачать

§ 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 Тэ>> Тиг, 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:

αд =nхач/ n00,

где nхач– концентрация ХАЧ в плазме.

Низкая степень ионизации НГП (концентрация электронов) αи= 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 Тг. 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 Gи.э. иGхачэ, скорости генерации возбужденными метастабильными частицамиGи.м. иGхачм, скорости их гомогенных рекомбинацийRи.гом. иRхачгом., скорости гетерогенной рекомбинации на ограничивающих плазму поверхностяхRи.гет. иRхачгет., скорости гетерогенной рекомбинации на обрабатываемых поверхностяхRи.п. иRхач п, получаем уравнения для расчета стационарных концентраций заряженных частиц и ХАЧ:

Gи.э. +Gи.м. =Rи.гом.+Rи.гет.+Rи.п.

Gхачэ +Gхачм=Rхачгом. +Rхачгет+Rхач 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.

Соседние файлы в папке Лекция4