Нелинейные взаимодействия разрывных акустических волн в средах с распределенными в объеме и на границах случайными неоднородностями (1097762), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Поскольку концентрация ионов CF3+ сопоставима сконцентрацией атомов фтора, проявляется анизотропия травления.11N, см-310В пятой главе описываются результаты экспериментальных измеренийэлектрических и оптических характеристик ВЧЕ разряда в магнитном поле вметане и смеси метана с аргоном, спектральных исследований внутреннихпараметров метансодержащей плазмы и анализа механизмов образованияатомарного водорода и формирования распределений атомов, молекул ирадикалов по энергетическим уровням.Использовалась экспериментальная установка, представленная на рис.
1.Изучены электрические характеристики разряда. Показано, что влияниемощности, давления и магнитного поля на электрические характеристики ВЧЕразряда в магнитном поле в метане аналогично влиянию этих параметров нахарактеристики ВЧЕ разряда в аргоне и, в первую очередь, обусловленодрейфом электронов в магнитном поле.Представлены результаты измерения температуры газа термопарнымметодом.
Показано, что температура газа растет с увеличением мощностиразряда, давления газа и величины магнитного поля и составляет ~ 350- 650К.В спектре излучения разряда наблюдаются линии атомарного водородасерии Бальмера Нα, Нβ, Нγ, полосы радикала СН* (A2D-X2P) системы 4300 Å,19большое количество линий молекулярного водорода на участках спектра 4400 –4800 Å и 4900 – 6400 Å, в том числе системы Фулхера Н2 (d3Pu – a3Sg) (рис.
11).Проанализированы механизмыобразованиявозбужденныхH2Hатомов водорода H*(n=3) и Ar*200(4p3P1). Показано что в смесяхCH100метана с аргоном при малыхконцентрациях аргона в смеси,05000520054004200440046004800заселение состояний H*(n=3) иHAr*(4p3P1)осуществляется33300H2(d Pu-a Pg)непосредственно из основного200состояния прямым электроннымударом.Приконцентрации100метана 1¸10% в смеси CH4-Ar0возбужденного5400560058006000620064006600 заселениеl, AсостоянияAr*(4p3P1)осуществляетсяступенчато,Рис.
11. Cпектр излучения ВЧЕ разряда в метане в через метастабильный уровеньдиапазоне длин волн 4200-6600 Å. В=200 Гс, W=90 Ar (4s3P ).m0,2Hb300I, отн.ед.gaВт, P=1 Па.Получены выражения для определения концентрации атомов водорода поотношению интенсивностей I спектральных линий водорода Ha(656.2 нм) иаргона ArI (696.5 нм) в случае прямого электронного возбуждения состоянийAr*(4p3P1) и H*(3S, 3P, 3D)maxI H ( Aki / l )Ar k1Ar t Ar I H ( Aki / l )Ar s Ar f ( e )|e thAr t Ar×××=×××× [ Ar ] ;[H ] =I Ar ( Aki / l )H k1H t HI Ar ( Aki / l )H s Hmax f ( e )|etHthHступенчатого возбуждения состояния Ar*(4p3P1) и прямого возбуждениясостояния H*(3S, 3P, 3D)[H ] =I H ( Aki / l )Ar k 2 Ar××I Ar ( Aki / l )H k1Hæk3 [ e ]× ççè ( k 3 + k 4 )[ e ] + k 5 [ CH 4 ] + k 8öt÷ × Ar × [ Ar ] ;÷ø Ar t Hпрямого возбуждения состояния Ar*(4p3P1) и диссоциативного возбуждения*CH 4 + e ® CH 3 + H * ( n = 3 ) + e состояния H (3S, 3P, 3D)[H ] =1k1HöæIt{ A / l }Ar× çç H × Ar × ki× k1 Ar [ Ar ] - k 3CH 4 [ CH 4 ] ÷÷ .øè I Ar t H { Aki / l }HЗдесь Aki – вероятность перехода, tk – время жизни возбужденного состояния, λ– длина волны, [e], [H], [Ar], [CH4] – концентрации, s max – сечениевозбуждения в максимуме, f ( e )|e th – значение ФРЭЭ при пороговой энергии, k1 –константа скорости прямого возбуждения, k2 – возбуждения метастабильногосостояния, k3 – ступенчатого возбуждения из метастабильного состояния, k3CH4– диссоциативного возбуждения, k4, k5, k8 – константы скорости тушенияметастабильного состояния Arm(4s3P0,2).
электронами, молекулами и на стенке,соответственно.20а)1801601407025 Гс50 Гс100 Гс200 Гс6012050I, отн. ед.I, отн. ед.б)8025 Гс50 Гс100 Гс200 Гс1008060404030201020000246810P, Па-3N, см0246810P, Пав)25 Гс50 Гс100 Гс200 Гс118,0x10116,0x10114,0x10Рис. 12. Зависимости интенсивностейизлучения спектpальных линий (а) Ha(656.2 нм), (б) ArI (696.5 нм) иконцентpации атомаpного водоpода (в)от давления метана в pазpяднойкамеpе, W =80 Вт, PAr =0.1 Па.112,0x100,00246810P, ПаМетодом оптической актинометрии измерены абсолютные концентрацииатомарного водорода в ВЧЕ разряде в магнитном поле в метане (рис. 12) и всмесях метана с аргоном.
Показано, что концентрация атомов водорода в смесиСН4(1–10%)+Ar на порядок выше их концентрации в чистом метане приодинаковых параметрах разряда. Показано, что механизмы образования атомовН в метане и смеси СН4(1–10%)+Ar разные: в метане в диапазоне давлений1¸10 Па атомарный водород образуется в результате диссоциации метана ирадикалов СНх при столкновениях с электронами, в смеси СН4(1–10%)+Ar – впроцессе диссоциации молекул метана при столкновениях с метастабильнымиатомами аргона Arm(4s3P0,2): Arm* + CH 4 ® CH 3 + H * + Ar .Известно, что атомарный водород оказывает большое влияние накачество алмазоподобных покрытий, что обусловлено двумя эффектами, вопервых, водород стабилизирует свободные связи на поверхности растущейпленки, во-вторых, способствует стравливанию не алмазной компоненты врастущей пленке, например графита.
На основе полученных результатов можносделать вывод: аргон в смеси СН4/Ar способствует улучшению качествауглеродсодержащих пленок.По отношению интенсивностей линии атомарного водорода серииБальмера Нα(λHα=6563Å, n′=3→n=2) и вращательной линии (К=1)колебательной полосы Q(0-0) серии Фулхера молекулярного водорода( l H F =6018Å)определеноотношениеконцентрацийатомарногоимолекулярного водорода.
Показано, что в магнетронном ВЧЕ разряде в метанеотношение NH/NH2 составляет 0.03–0.06.21lg(Nk )4,0æI l ö3,53,02,52,01234561,51,00,50,012,012,212,412,612,813,0Рис. 13. Зависимости ln( N k ) ~ lnçç ki ki ÷÷ отè Aki øэнергии излучающих уровней для линий Нα, Нβ, Нγсерии Бальмера; 1–4 – W=100 Вт, 5 – 120 Вт; 1–3 –P=1 Па, 4, 5 – 5 Па; 1– В=50 Гс, 2 – 100 Гс, 3–5 –200Гс;6–расчетпоформулеN k = N 0 N e × s kmax s ( e )v e × t k µ const × s kmaxt k13,2Еk , эВПоказано, что в ВЧЕ разряде в магнитном поле в метане реализуетсянеравновесное распределение атомов водорода по энергетическим уровням(рис. 13). Согласно оценкам, к формированию неравновесного распределенияатомов водорода по энергетическим уровням приводит диссоциативнаярекомбинация молекулярных ионов водорода H 2+ + e ® H + H * .По распределению относительных350интенсивностей колебательных полосQ(1)33Q (1)300системы Фулхера Н2(d Pun′–a Sgn″;250n′=n″=0,1,2,3) (рис.
14, 15) изученораспределение молекул водорода по200Q (1)колебательным уровням. Показано, что150в экспериментально наблюдаемыхQ (1)100распределениях колебательные уровни50с v′=2 и v′=3 существенно обеднены по0сравнениюсравновесным60006100620063006400l,Aраспределением.Определены значения температурыРис. 14. Типичный вид колебательныхзаселения колебательного уровня v=1 полос α-системы Фулхера H2.(Тv1) молекул водорода в основномсостоянии H2(X1Σ).
Тv1 находиться в диапазоне от 2320К до 5800К и растет сувеличением магнитного поля и давления метана.По распределению относительных интенсивностей вращательных линийQ-ветви колебательной полосы (0-0) α-системы Фулхера определенавращательная температура молекул водорода.
Показано, что вращательнаятемпература молекул водорода существенно ниже температуры заселенияколебательного уровня v=1 (Тv1) молекул водорода в основном состоянииH2(X1Σ). Отрыв между колебательными и вращательными температурамиувеличивается с ростом давления метана. Показано, что в результатевращательной релаксации формируется вращательное распределение молекулводорода с температурой близкой к температуре газа ~(450–550К).I, отн.
ед.(0-0)(1-1)(2-2)(3-3)22Реализован теоретическийрасчетспектраизлучениясистемыполос(A2D®X2P)1.01.0радикала СН* в диапазоне длин0.8волн 4200–4400 Å при заданных0.8колебательнойТvibи0.6вращательной Trot температурах.0.6200 Гс200 Гс100 ГсПроанализированызаконо100 Гс0.450 Гс50 Гсмерности изменения спектра0.4излучениясистемыполос0.20123012322(A D®X P) радикала СН* вvvдиапазоне длин волн 4200–4400Рис. 15. Экспериментальные распределенияТvib и Trotотносительных интенсивностей полос α-системы Å при изменениях*радикала СН . РассчитанныеФулхера H2 при давлении 1 Па (а) и 5 Па (б).спектрыиобнаруженныезакономерности использовались для определения Тvib и Trot радикала СН* (рис.16).а)Показано,чтоколебательнаяи1.0вращательная температуры радикалов0.5СН* в ВЧЕ разряде в магнитном поле вметанеравнысоответственно0.0Tvib=2800±100 K, Trot=2000±100 K приб)1.0давлении 1 Па, Tvib=4500±100 K,Trot=1200±100 K при давлении 5 Па и в0.5пределах ошибки не зависят от0.0индукции магнитного поля.
Увеличение434042404260428043004320l, Aдавления приводит к увеличениюРис.16.Рассчитанный(Тvib=2700K, колебательной температуры радикалаTrot=2000K) (а) и наблюдаемый (р=1 Па, СН* и уменьшению его вращательнойВ=100 Гс) (б) спектры излучения СН*.температуры. Отрыв между колебательной и вращательной температурами радикала СН* увеличивается сповышением давления.Вращательная температура радикалов СН* (1200÷2000К) существенновыше вращательной температуры молекул водорода ~ (480÷570К). Показано,что вращательное распределение радикалов СН*, сформированное в процесседиссоциативного возбуждения CH 4 + e ® CH * ( A 2 D ) + H 2 + H + e , не успеваетрелаксировать к равновесному распределению с температурой, близкой ктемпературе газа.а)1.2б)I, отн.
ед.I, отн. ед.1.2Шестая глава посвящена моделированию барьерного разряда (БР) вксеноне в рамках гидродинамической модели: численно исследовано влияниепараметров разряда и физико-химических процессов в нем на электрические иоптические характеристики БР.23Одномернаягидродинамическая(ГД) модель БР (рис. 17) основана наконтинуальномописанииплазмы,использующем диффузионно-дрейфовоеприближениедляпотоковчастиц.Вследствие малой подвижности ионов ихдвижениеопределяетсялокальнымприведеннымэлектрическимполем.Уравнение непрерывности для ионов i-госорта записывается в виде:Рис. 17. Схематическое изображениеБР; 1– левый заземленный электрод, 2–правый нагруженный электрод, db1, db2–толщина диэлектриков, dg–ширинаразрядного промежутка, Cb– емкостьдиэлектриков, Us(t) – источник питания.¶n + ,i¶t=-¶G+ ,i¶z+ S + ,i ,G+ ,i = + m + ,i En+ ,i - D+ ,i¶n+ ,i¶z,(1)Дляэлектроноврешаетсяуравнений непрерывности исистемабалансаэнергии электронов:¶ne¶G= - e + Se ,¶t¶z¶ nee e¶q= - e - eGe E - Qinel - Qel ;¶z¶t¶ne,¶z¶n eqe = - m e* E ne e e - De* e e .¶zGe = - m e Ene - De(2)(3)В уравнениях (1) – (3) E – напряженность электрического поля; n – суммарнаяконцентрация нейтральных компонентов; t – время; ne , n+ ,i , Ge , G+ ,i – плотностичисла и потока электронов и ионов i-го сорта, m e (e e ) , m + ,i ( E / n) , De (e e ) , D+ ,i ( E / n)коэффициенты подвижности и диффузии электронов и ионов; e e =3k BTe , Te –2средняя энергия и температура электронов, S e , S + ,i – суммарная скоростьрождения и гибели электронов и ионов в различных плазмохимических5353процессах; qe – плотность потока энергии электронов, me* = me , De* = De ;QelQinel ,– потери энергии электронами в неупругих и в упругих столкновениях.НапряженностьэлектрическогополяE -¶j / ¶z=определяетсяуравнением Пуассона:¶ 2je æö= - ç å n + ,i - ne ÷ .2e0 è i¶zø(4)Изменение концентраций нейтральных частиц во времени обусловлено ихрождением и гибелью в элементарных процессах:¶ni= Si ,¶t(5)где ni , Si – плотность и суммарная скорость рождения и гибели нейтральныхкомпонентов i-го сорта соответственно; e 0 – электрическая постоянная.Система уравнений (1) – (5) дополняется начальными и граничнымиусловиями для зависимых неоднородных в пространстве переменных.24Численное решение системы дифференциальных уравнений проводитсяметодом прямых с полудискретизацией в пространстве методом контрольногообъема на квазиравномерной сетке, учитывающей возможность возникновениябольших градиентов зависимых переменных вблизи диэлектрических барьеров.Плотностиконвективно-диффузионныхпотоковаппроксимируютсяэкспоненциальной схемой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
