Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Рассматриваемый реактор был снабжен дополнительным плазмотроном(P Torch) с малой (по сравнению с основным плазмотроном N Torch) мощностью ~350 Вт ипотоком(0.75slm)аргоновой(илиаргон-водородной)плазмы,впрыскиваемойврасширяющуюся струю основного потока для стабилизации плазмы. Горячая Н/Ar плазма изпромежуточной камеры, состоящая практически только из атомарных частиц (Ar, H),электронов и атомарных ионов (Ar+, H+), попадает в реакционную камеру через сопло NZRC131(диаметр минимального сечения сопла ~2.5 мм) и начинает расширяться в верхней узкой частиреакционной камеры (рис. 4.1).
Далее в горячую Н/Ar плазменную струю подмешивается метан,поступающий в реактор из кругового циркулятора, расположенного в нижней широкой частиреакционной камеры (рис. 4.1). В струю вовлекаются и другие молекулярные компоненты (H2,CxHy) из более холодных областей широкой части реакционной камеры (зоны круговойциркуляции). Н/С/Ar плазменная струя падает нормально на подложкодержатель с подложкой,где и происходит осаждение АП в результате сложного комплекса газофазно-поверхностныхпроцессов адсорбции/десорбции водородных и углеводородных компонент, их рекомбинации иповерхностной диффузии (миграции).Рис.
4.1. Схема реактора ГХОДП. Основной дуговой разряд горит между отмеченнымострийным вольфрамовым (W) катодом и медным (Cu) анодом. Промежуточная камерасмешения плазменного аргонового потока и потока Ar/H2 находится между соплами NZA (изразрядной камеры в промежуточную) и NZRC (из промежуточной в реакционную камеру) восновном плазмотроне (N Torch). Рассматриваемый реактор был снабжен дополнительнымплазмотроном (P Torch) с малой (по сравнению с N Torch) мощностью и потоком аргоновойплазмы, впрыскиваемой в расширяющуюся струю основного потока.
В схеме масштабразрядных блоков (N Torch и P Torch) увеличен по сравнению с реакционной камерой.Для получения целостной картины расширения струи плазмы и ее смешения с холоднымрабочим газом (например, СН4/H2) необходимы как минимум пространственно двумерные (2-D)модели, позволяющие рассчитывать распределения плазмохимических компонент, температури скоростей газа в реакционной камере. Именно с использованием таких разработанныхмоделей (§4.3) получены основные результаты, излагаемые далее в настоящей главе (§4.4), гдеони также сравниваются с экспериментальными данными. Но для применения 2-D моделинеобходимо сначала установить параметры плазменной струи на входе в реакционную камеру(граничные условия для 2-D модели), не имея доступных сведений о параметрах плазмы в132дуговом разряде и промежуточной камере.
Эту непростую проблему невозможно решитьэкспериментальными методами ввиду полной визуальной закрытости объемов промежуточнойкамеры и дугового разряда. Для решения этой проблемы была развита специальнаятеоретическая методика [79,83] и предложено проведение калориметрических измерений [83],необходимых для более точного определения параметров плазмы в дуговом разряде ипромежуточной камере (§4.2).§4.2. Методика определения параметров плазмы в дуговом аргоновом разряде,промежуточной камере смешения и на входе в реакционную камеру плазмотронаАналитический подход, основанный на фундаментальных балансах потока и энергиигаза, законах газовой динамики и калориметрических измерениях, позволяет достаточно точноустановить и проследить изменение параметров плазменного потока (температуры Т, давленияp, степени ионизации, скорости потока) в выходном отверстии NZA из дугового разряда впромежуточную камеру и в выходном сопле NZRC из промежуточной в реакционную камеру впредположении термодинамического равновесия газа и единой температуры Т нейтральных изаряженных компонент в этих областях большого (сверхатмосферного) давления.
Для началаполезно получить оценки параметров плазменного аргонового потока в выходном отверстииNZA диаметром 3.8 мм исходя из экспериментальных данных (вложенной мощности Ptotal≈6250Вт, давления в камере дугового разряда р=4 атм и расхода аргона через разряд в единицах sccs(стандартных см3 в секунду) FArdc =(10 slm)×1000/60=166.67 sccs или в единицах число атомов всекунду FArdc N0=4.48×1021 c-1, N0≈2.687×1019 см-3 - концентрация газа при нормальных условиях(1 атм, 0°С)). Используя уравнения Саха, найдемX e2 NgI= A + T 1.5 exp(− Ar )1− 2X egakT(1)Здесь A=4.85×1015 см-3К-1.5, статистические веса иона и атома Ar g+=6, ga=1, потенциалионизации аргона IAr=15.76×1.610-12 эрг, k=1.38×10-16 эрг/K – постоянная Больцмана, мольнаядоля ионов Ar+ и электронов XAr+=Xe=ne/N, ne и N – концентрация электронов и полнаяконцентрация газа.
Примем для оценок, что 25% вложенной мощности идет на нагревэлектродов и 75% остается в струе, обеспечивая ее температуру Т и степень ее ионизацииXe(Т,р) и что для обеспечения расхода FArdc через отверстие NZA требуется перепад давлений ~1атм [83], т.е. на входе в промежуточную камеру мы имеем ионизованный газ с давлениемp=NkT~3 атм и запасенной энергиейε~(0.75Ptotal/1.6×10-19)/( FArdc N0)~6.5 эВ на атом(2)133Эта энергия в основном приходится на ионизационный и тепловой резервуары плазменнойструи, и тогда из Ур. (1,2) легко можно найти равновесную температуру Т≈14300 К исоответствующую ей Xe=0.22, обеспечивающие ε≈6.5 эВ на атом. Скорость потока в отверстииNZA диаметром 3.8 мм будет при этом vNZA~30000 см/с.Разовьем подобный подход для определения параметров потока аргон-водородной плазмыв критическом сечении сопла NZRC с большей степенью детальности и точности, посколькуэти параметры потока необходимы как входные параметры 2-D модели процессов вреакционной камере [79].
Опять будем исходить из известных экспериментальных вложенной0мощности Ptotal[Вт] и расходов водорода FH02 = 0-30 sccs и аргона FAr= FArdc + (53.333- FH02 ) в0единицах sccs, так что полный расход рабочего газа через N Torch F0= FH02 + FAr= (13.2slm)×1000/60=220 sccs.Полный массовый расход Fmass аргона и водорода в основномплазмотроне (N Torch) тогда будет:(Fmass [г / с ]= N 0 mH 2 FH0 2 + mAr FAr0)(3)Здесь mH2 и mAr – масса молекулы водорода и атома аргона.
Для примера, Fmass = 0.34 г/с длянайбольшего использованного расхода водорода FH02 =1.8 slm=30 sccs и соответствующего0FAr=11.4 slm=190 sccs. С другой стороны, этот поток можно выразить через среднюю скоростьv и плотность ρ газа, например, в критическом сечении площадью S сопла NZRC:Fmass = S ′ v ρ(4)где ρ≈N×(mH(XH + XH+) + mAr(XAr + XAr+)) в случае полной диссоциации водорода выражаетсячерез локальную концентрацию газа и мольные доли компонент Xi =Ni/N, i=H, H+, Ar, Ar+.
Здесьучтено уменьшение площади S' эффективного сечения из-за пограничных слоев, оценкатолщины слоя из теории погранслоев [161,231] в нашем случае дает S'/S ~ 0.85. Изгазодинамики известно [229,230], что при истечении газа через сопло при достаточномперепаде давления pпк/pрк>2.1 в промежуточной и реакционной камере (что несомненно имеетместо в нашем случае), скорость потока достигает местной скорости звука в критическом(минимальном) сечении сопла v= v s = γ × p / ρ .Здесь отношение теплоемкостей γ = CP Cv = 5 3и давление в критическом сечении из уравнения идеального газа(k=1.38×10-16 эрг/Кпостоянная Больцмана):p=NkT(5)Уравнения (3-5) в критическом сечении сопла NZRC позволяют выразить концентрацию N какфункцию температуры Т струи плазмотрона, расходов и мольных долей компонент плазмы:134N=()(XN 0 mH 2 FH02 + m Ar FAr0S ′ γkTm H ( X H + X H + ) + m ArAr+ X Ar + )(6)Мольные доли нейтральных компонент по определению выражаются через начальные расходырабочих газов, местный расход F[см-3с-1]N[см-3] (число всех частиц, проходящих черезкритическое сечение в секунду) и мольные доли ионов:(2 FH02 + FAr0 )FN =XH =N0(7)H+(8)0F ArN0−X +ArFN(9)(1 − X e )2 FH0 N 02FNX Ar =−XXe = XAr+ + XH+(10)В свою очередь, мольные доли заряженных компонент можно найти из уравнения Саха полокальной температуре Т [83].
Таким образом, если будет найдена температура Т, то мыполучим полное описание параметров плазмы в критическом сечении сопла NZRC. Этутемпературу можно установить из анализа баланса вложенной в дуговом разряде мощностиPtotal[Вт], которая первоначально идет на нагрев Ar газа и его ионизацию.
Горячая струяаргоновой плазмы теряет часть мощности (Ploss) на нагрев электродов и стенок плазмотрона,охлаждаемых водой. Остающаяся в газе энергия перераспределяется в промежуточной камере,нагревая холодную струю Ar/H2, поступающую непосредственно в промежуточную камеру,диссоциируя Н2 и ионизируя ее Н и Ar атомы. В результате быстрого перераспределенияэнергии (масштаб характерных длин пробегов атомов и ионов между столкновениями –микрометры) мы будем иметь в критическом сечении сопла NZRC равновесную плазму стемпературой Т:32kT =(Ptotal − Ploss ) × 107 − (1 XFN2H D0 (H 2 ) + I Ar X Ar + + I H X H + )+(F 0N 00T0 CV0 X H0 2 + 32 kX ArFN)(11)В этом уравнении сохранения энергии считается, что поглощенная и оставшаяся в плазменномпотокемощность(Ptotal -Ploss)[Вт]идетнанагревгаза,диссоциациюводорода(D0(H2)≈4.5×1.6×10-12 эрг – энергия диссоциации Н2), ионизацию атомов аргона и водорода (IArи IH – соответствующие потенциалы ионизации в эргах).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
