Моделирование низкотемпературной газоразрядной плазмы ксенона и криптона при средних давлениях

Диссертация посвящена расчетам характеристик плазмы газовых разрядов околоатмосферного (несколько сотен торр) давления в инертных газах (Хе) и их смесях (Кг-Хе). В работе рассчитывались такие параметры как: концентрации компонент плазмы, газовая и электронная температура, исследовались механизмы заселения и разрушения компонент.

В диссертации ставились задачи интересные не только в научном, но и в прикладном плане. С прикладной точки зрения плазма инертных газов средних давлений интересна как эффективный источник излучения в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Поэтому большое внимание уделялось расчетам и исследованиям параметров, являющихся основными для источника света: значению кпд выхода излучения и его интенсивности.

Источником ВУФ излучения в газовых разрядах средних давлений являются двухатомные молекулы инертных газовэксимеры. То, что длины волн переходов эксимеров находятся в ВУФ области, делает экспериментальные исследования технически сложными и дорогостоящими. Расчеты же позволяют получить информацию избежав сложностей и дополнить экспериментальные данные.

Для достижения указанных целей проводился расчет параметров разрядов двух типов: барьерного и тлеющего. При определении концентраций компонент плазмы решалась система кинетических уравнений баланса частиц, скорости процессов и температура электронов Те расчитывались с помощью уравнения Больцмана для ФРЭЭ, температура газа Тд вычислялась с помощью уравнения теплопроводности.

Расчеты барьерных разрядов (БР) актуальны в связи с интенсивным развитием в настоящее время ВУФ источников света на их основе [1,2]. В качестве других, наиболее распространенных газоразрядных источников некогерентного ВУФ излучения на основе низкотемпературной плазмы, можно упомянуть еще 2 типа разрядов:

— разряд с полым катодом [3].

— разряд в сверхзвуковой струе [4].

Каждый из указанных разрядов обладает своими преимуществами, так в барьерном разряде достигаются максимальные эффективности ВУФ излучения -2 0%-60% [5], разряд в струе имеет диаметр в доли мм и используется как точечные источник для обработки материалов в полупроводниковой промышленности [6].

Тлеющий разряд интересен тем, что он является источником непрерывного возбуждения ВУФ излучения, а также с точки зрения возможности получения непрерывной генерации в ВУФ диапазоне [7−9]. Расчеты положительного столба тлеющего разряда интересны также для сравнения и большего понимания физики барьерного разряда .

Источники ВУФ излучения находят широкое применение промышленности: в микроэлектронике для литографии высокого разрешения, для изменения свойств и рельефа поверхностей, при обработке полупроводниковых материалов [б], в технологиях распыления материалов используется фотоосаждение, в экологии для разложения загрязняющих веществ. Одно из сравнительно новых направлений конструирование плазменных дисплейных панелей в которых флуоресценция экрана возбуждается ВУФ излучением, а не электронным пучком как в обычных электронно-лучевых ^трубках.

Некогерентные источники БУФ (УФ) излучения имеют свои преимущества по-сравнению с лазерными. Известно, что взаимодействие некогерентного ВУФ излучения барьерного разряда с веществом имеет фоохимическую природу (приводит к разрыву химических связей, ионизации и т. д.), в то время как лазерное ВУФ излучение ведет к фототермическим процессам на поверхности [10]. Некогерентность светового излучения позволяет избежать интерференционных и тепловых эффектов и достигать лучших результатов: более гладких поверхностей [11], осаждению более тонких пленок [1], по-сравнению с лазерными источниками .

Останавливаясь на более конкретном приложении барьерных разрядов на основе инертных газов и их смесей с галогенидами следует отметить их исследования и внедрение для:

1)обработки поверхностей полимеров (полиэтилена, полистирена, полиметилмакрилата, полиамида и др. [12]), в [13] сравнивалась возможность обработки полиамидной поверхности обычным барьерным разрядои на воздухе и УФ облучением BP KrCl* 222 нм, были получены удовлетворительные результаты, указывалось на необходимость повышения кпд БР .

2)напыления тонких металлических пленок путем ВУФ разложения органических составляющих металлорганических слоев [1], в [14] сравнивалось металлизация поверхности палладием с помощью когерентного (KrF* лазер, А,=24 8 нм) и некогерентного (Хе2* БР, Х—112 нм) излучения, указывалось на преимущества нетермического воздействия БР на подложку и более равномерного нанесения металла по сравнению с лазерным напылением, отмечалась необходимость повышения интенсивности ВУФ излучения БР.

3) разложение загрязняющих веществ в газе и воде, в [15] исследовалась возможность разложения тетрахлорэтилена, 1,2-дихлорэтана, СС14, СН3С1 прямым УФ (ВУФ) фотолизом или комбинированным (УФ (ВУФ) облучение в присутствии 03/Н202) [15] .

Видно, что перечисленные возможности конкретного применения указывают на актуальность исследования процессов в БР и оптимизацию их параметров.

Диссертация состоит из 3 глав. В первой и второй главах рассматривается барьерный разряд на основе чистого ксенона и смеси Kr-Хе, в третьейположительный столб в капиллярном тлеющем разряде в ксеноне.

В первой главе рассчитывались параметры BP в Хе при средних давлениях, были получены временные зависимости компонент плазмы, определены основные кинетические процессы, рассчитаны ВУФ интенсивности и ВУФ-кпд, проанализированы основные каналы потерь энергии, определяющий кпд излучения.

Во второй главе проводился расчет БР в смеси инертных газов. На примере смеси Kr-Хе были проанализированы основные кинетические процессы при разных процентных содержаниях Хе, определены временные зависимости концентраций компонент плазмы и зависимости кпд выхода от параметров разряда и содержания Хе.

В третьей главе рассчитывались характеристики положительного столба тлеющего разряда в Хе. Были получены радиальные зависимости температуры газа, концентраций компонент плазмы, интенсивностей и ВУФ-кпд в условиях криогенного охлаждения и без него.

По теме диссертации опубликовано 7 статей, сделано б докладов на международных и российских конференциях:

1) Галактионов И. И., Зверева Г. Н. «Исследование неравновесного заселения колебательных уровней молекулы С2» // Оптика и спектр., т.73,вып.1, стр. 111,1992, [16].

2) Г. Н. Герасимов, Б. Е. Крылов, Г. Н. Зверева, Р. Халлин, А. Арнесен, Ф. Хайкеншольд «ВУФ спектр эксимеров Кг, возбуждаемых в охлаждаемом разряде постоянного тока» // Оптика и спектр., т.81, N6, с.935−943, (1996),[7].

3) Г. Н. Герасимов, Г. Н. Зверева «Численное моделирование процессов в плазме разряда в Кг» // Оптич. журнал, t.64,N 1, с.20−24, 1997, [17].

4) G. Gerasimov, B. Krylov, A. Loginov, G. Zvereva, R. Hallin, A. Arnesen, F. Heijkenskjold «The vacuum ultraviolet spectrum of Kr and Xe excimers excited in a cooled dc discharge» // Appl. Phys. B, v.66, p.81−90,.

1998), [8].

5) Г. Н. Герасимов, Г. А. Волкова, Р. Халлин, Г. Н. Зверева,.

Ф.Хайкеншельд «ВУФ спектр барьерного разряда в смеси Кг и Хе» // Оптика и спектроскопия, т.88, N6, с.8 97 902,2000, [18].

6) Г. Н. Зверева, А. В. Логинов «Теоретичкское исследование ВУФ спектров смеси криптон-ксенон в условиях барьерного разряда» // Оптика и спектр., в публикации 2001 г. [19] .

7) Зверева Г. Н., Герасимов Г. Н." Численное моделирование барьерного разряда в ксеноне" //Оптика и спектр., т.90, N3, с.376−383, 2001 г, [20].

8) Gerasimov G. N, Zwereva G. N «Characteristics of cryogenic Kr plasma as a vacuum ultraviolet source» // Abstracts of 28-EGAS Conference, Graz, Austria, pp.494−495,1996, [21] .

9) Gerasimov G., Zvereva G., Krylov B. «Experimental estimate of Xe dimers cross-section from weakly bound ground states by electron impact» // «XX ICPEAC.

Scientific program and abstracts of contributed papers" ed. by F. Aumayr, G. Betz, H.P.Winter, Vienna, 1997, Р. М0125, [22].

10) G. N Gerasimov, G.A.Volkova, G.N.Zvereva «VUV spectrum of barrier discharge in Xe-Kr mixture’V/Proceedings of LS-8 Conference, Greifswald, 1998, p.248−249, [23] .

11) G. Gerasimov, G. Zvereva «Investigations of kinetic processes in rare gases barrier discharge» // Proceedings of the 1999 Conference on Dissociative recombination, Stockholm, Sweden, 1999, p.275 ,.

24].

12) G. Zvereva, G. Gerasimov «Calculations of Xe barrier discharge parameters» // HAKONE VII Contributed Papers, Greifswald, Germany, v. l, p.134−138, 2000 ,.

25] .

13) G.N.Zvereva, G.N.Gerasimov «Calculations of Kr-Xe mixture barrier discharge parameters» // Тезисы конференции по физике электрон-атомных столкновений, Москва, Клязьма, с.46−47, 2001 г, [26].

3.4 Выводы.

В данной главе был произведен расчет концентраций компонент плазмы и газовой температуры в контрагированном шнуре тлеющего разряда в ксеноне. Вычисления проводились для давлений Р=100−400 торр, токов 1=6−15 мА.

На основании проделанных расчетов можно сделать следующие выводы:

1) газовая температура в канале тлеющего разряда ксенона при давлениях в несколько сотен торр и токах около десяти милиампер составляет величину 1000−2000°К. Основным каналом превращения электрической энергии в тепловую являются упругие электрон-атомные столкновения.

2) концентрация эксимеров ксенона при рассматриваемых условиях достигает макимума на границе шнура и составляет величину порядка 1010−101:L см-3. Основным каналом образования эксимеров является столкновительная ассоциация Хе+ +2Хе= Хе2+.

Хе, основным каналом разрушениярадиационный распад. Повышение концентрации эксимеров при криогенном охлаждении можно связать с увеличением концентрации нормальных атомов и соответствующим ростом потока образования эксимеров при столкновительной ассоциации.

3) Эффективность выхода ВУФ излучения ц при рассматриваемых условиях составляет величину порядка 0.10.5%, что на 2 порядке ниже чем в барьерном разряде. Повышение ВУФ-кпд возможно путем увеличения эффективности образования эксимеров и уменьшения упругих потерь при е-а столкновениях.

4.

Заключение

.

В заключении подведем итог проведенной работе и перечислим ее основные результаты.

В диссертации производился расчет характеристик плазмы средних давлений (100−4 00 торр) в ксеноне и смеси криптон-ксенон. Исследовались барьерный и контрагированный тлеющий разряды.

В диссертации было проделано следующее:

1)выбрана кинетическая схема процессов адекватно описывающая данные типы разрядов в ксеноне и смеси Kr-Хе. .

2)решено уравнение Вольцмана для указанных условий и найдены: скорости реакций k± (E/N), температура электронов Те (E/N) и др. кинетические параметры.

3)решена система нестационарных кинетических уравнений, в результате которой найдены: концентрации компонент плазмы в зависимости от времени Ni (t), потоки заселения компонент плазмы Fi (t), кпд ВУФ излучения r|(E/N) .

4) для случая контрагированного положительного столба решено уравнение теплопроводности совместно с системой стационарных кинетических уравнений. Получены радиальные зависимости температуры газа Tg®, концентраций Ni®, кпд-Л (г) .

В качестве основных результатов можно перечислить:

— для барьерного разряда в чистом ксеноне:

1)найдены расчетные зависимости концентраций эксимеров Nex (E/N, Ne, t) и кпд выхода ВУФ излучения t|(E/N, Ne) в широком диапазоне значений E/N и концентраций электронов Ne. Показано, что концентрация эксимеров Хе2* растет с увеличением параметра E/N сначала медленно, затем резко.

Кпд ВУФ излучения, напротив, сначала медленно, затем резко падает с ростом E/N.

2) Объяснено поведение Nex (E/N, Ne, t) и T|(E/N, Ne) в зависимости от E/N и Ne. Резкие изломы на кривых объяснены наступлением ступенчато-ионизационной неустойчивости. Падение r|(E/N, Ne) с ростом E/N и Ne объяснено увеличением потерь энергии в реакциях с участием молекулярного иона Хе2+ а также при упругих электрон-атомных столкновениях.

3)найдены максимальные расчетные значения концентрации эксимеров Nex (E/N, Ne, t) в барьерном разряде в чистом ксеноне, достигаемые до начала ступенчато-ионизационной неустойчивости величин, составляющих 1014−1015см~3.

— для барьерного разряда в смеси криптон-ксенон:

4) Найдены основные кинетические реакции в зависимости от концентрации Хе — 5. При относительной концентрации Хе 5¹⁰% преобладает прямое возбуждение и ионизация Кг, при.

8¹⁰% - прямое возбуждение и ионизация Хе. При этом гомоядерные эксимеры Хе*2 в смеси образуются: при 8¹⁰% в реакции замещения КгХе* +Хе= Хе*2 +Кг, при 8¹⁰% прямым путем в столкновительной ассоциации: Кг+ Хе* +Хе= Хе*2 +Кг;

5)Вычислены максимальные концентрации эксимеров для КгХе* и Хе*2, составившие величины ~1014см" 3 ;

6) поведение ВУФ кпд r|(E/N, 8) в смеси Кг-Хе аналогично чистому Хе: имеется плато за которым следует срыв. Найден подъем плато при 8"4 0%, что объясняется большей эффективностью возбуждения Хе при данном 8.

— для положительного столба тлеющего разряда в ксеноне:

ЮНайдена газовая температура на оси тлеющего разряда ксенона при давлениях в несколько сотен торр и токах в десятки милиампер, составившая величину 1000−2000°К. Определено, что основным каналом превращения электрической энергии в тепловую являются упругие электрон-атомные столкновения.

8)Вычислены зависимости концентрация эксимеров ксенона от радиуса Nex (г). Показано, что Nex® достигает максимума на границе шнура и составляет величину порядка 1010−101:lcm" 3 .

9) Найдены кпд выхода ВУФ излучения г|(г), который также достигает максимума на границе шнура и имеет величину 20−30%, среднее же значение Г| для всего разряда составляет 0.01−0.5%, что на 2 порядка ниже чем в барьерном разряде.

Полученные результаты могут представлять интерес при изучении физических процессов в барьерных и тлеющих разрядах в инертных газах, а также при разработке источников ВУФ излучения на их основе. к «к «к.

В заключении автор хочет принести свою большую благодарность руководителю Г. Н. Герасимову за постоянный интерес к работе и полезные обсуждения.