Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 38
Текст из файла (страница 38)
4.13), но относительные пространственные профили почти не меняются. Рост абсолютныхзначений {СН(X, v=0, N=7)} с потоком метана насыщается в эксперименте при FCH 4 ≥ 40 sccm(рис. 4.15), в расчетных результатах насыщение гораздо менее выражено. Относительныепространственные профили {СН(X, v=0, N=7)} также не сильно меняются, наблюдаетсянебольшой сдвиг максимумов профилей к оси z (r=0) с увеличением расхода метана. ПрофилиС2 и СН относительно подобны, можно отметить лишь немного более протяженный по радиусупрофиль С2 по сравнению с СН.
С ростом расхода метана растет общий уровень концентрацийуглеводородов вне струи и, как следствие, поток углеводородов из холодной зоны вплазменную струю, увеличивая и там общий уровень концентраций СxНy. При этомперераспределение углеводородов внутри групп С1Нx, C2Hx и т.д. и между ними можетприводить к их неодинаковому поведению с ростом F(CH4).Кроме того,сильно меняющиеся (r,z) распределения газовой температуры иконцентраций H атомов, H2 и первичных ионов, сложные транспортные процессы и возможныеотклонения в их описании (сложная диффузия многокомпонентной смеси, начальныепараметры струи) – все это также влияет на наблюдаемые и рассчитываемые зависимости CH,C2 и других углеводородов от операционных параметров реактора.
Модель воспроизводитосновные тренды, пространственные распределения измеряемых линейных концентраций C2(a)и CH, но переоценивает их абсолютные значения. Одной из причин этого, а также отсутствия вмодельных результатах такого же насыщения C2(a) и CH с ростом расхода CH4, как вэксперименте, может быть не учет в химической кинетике тяжелых углеводородов исажеобразования на стенках реакционной камеры. Подходящие условия для образованиятяжелых углеводородов и сажевых частиц реализуются в холодной циркуляционной зоне(Т~1000-1500 К) [241], а в горячей струе тяжелые углеводороды будут быстро разлагаться.Несмотря на некоторые количественные расхождения с экспериментальными данными,разработанные экспериментально-аналитический метод определения входных параметровплазменной струи, 2-D модель и проведенные серии экспериментов и их 2-D моделированиевыполнили главную на тот момент задачу –от практически полного незнания параметровплазменной струи и их эволюции, плазмохимических процессов, основных механизмовконверсии углеводородов и их пространственной локализации перейти к детальномупониманию всего сложного комплекса различных процессов в реакторах ГХОДП, в частности,в Бристольском реакторе ГХОДП.
В следующем разделе рассматривается пример примененияразработанной методики и 2-D модели к другому, меньшей мощности, реактору с дуговымплазмотроном.165§4.5. Моделирование реактора ГХОДП меньшей мощности (<2 кВт) с аргон-водороднымдуговым разрядомРазвитый подход 2-D моделирования реакторов ГХОДП проверялся на другом, менеемощном (характерная мощность P=1600 Вт), реакторе института SRI International (StanfordResearch Institute, далее SRI реактор), для которого имеетсяв литературе обширный иразнообразный экспериментальный материал [73-78]. В этом реакторе получены различныехарактеристики расширяющейся плазмы: (r,z) распределения газовой температуры и скоростейструи [74,75]; CH, C2, C3 [73] и H [78] концентраций, измеряемых методом лазерноиндуцированнойфлюоресценции(LIF),степенидиссоциацииводородаспомощьюкалориметрического метода [76], распределения концентраций возбужденных частиц H*, C*,CH* and C2* с помощью пространственно-разрешенной оптическо-эмиссионной спектроскопии(OES) [77].
В SRI реакторе меньшей мощности (~1600 Вт, ~2 эВ на частицу), дуговой разрядгорит в смеси Ar/H2 (а не в чистом Ar, как в Бристольском реакторе), и метан подмешивается вгорячую Ar/H2 плазменную струю через отверстия в расширяющейся части сопла в ~3 мм внизпо потоку от критического сечения диаметром 0.635 мм. Высота расширяющейся части сопла13 мм и ее выходной (наибольший) диаметр 9.53 мм [75]. Граничные и начальные условия длямодельного реактора учитывали специфику геометрии сопла, реакционной камеры ипараметров дугового разряда и расходов газа.2-D моделирование процессов в реакционной камере (камере расширения плазматрона)было проведено с использованием развитой модели для следующих базовых операционныхпараметров SRI реактора: расход H2 был 3.27 slm, аргона – 3.63 slm, CH4 – 0.016 slm; вложеннаяв дуговой разряд мощность 1.6 кВт, давление газа начального потока (выше по течениюдугового разряда) ~5300 Тор, давление в реакционной камере 25 Тор, температура подложкиTs=870 K, расстояние от выходного сечения сопла до подложки – 38 мм, радиусподложкодержателя Rs = 0.65 см.
Сначала, как и для Бристольского реактора, были определеныаналитически параметры плазменной струи в критическом сечении сопла, используяизмеренные калориметрически потери мощности 475 ± 55 Вт на нагрев воды в охлаждающейконтуре камеры дугового разряда [76] и предполагая, что дополнительные (например,радиационные [76]) потери не превышают 50 Вт.
В отличии от [76], кинетическая энергияплазменного потока (~410 W) не включалась в энергетический баланс калориметрическогометода: высокие, около звуковые скорости потока, достигающиеся за счет разности давлений(начального 5300 Тор и р=25 Тор в реакционной камере), будут наблюдаться и без зажиганиядугового разряда. В соответствии с уравнениями (1-11) аналитического подхода оставшаяся вструе мощность 1075 Вт дает следующие параметры струи в критическом сечении: температура166газа TNZ~6030 K; давление рNZ~3700 Тор, скорость потока vz=1600 м/с, мольные доли XH~0.34,XH2~0.22, XAr~0.44. Низкая степень ионизации в струе (Xe<0.01% [76]) не влияет на параметрыпотока газа. Полученная степень диссоциации водорода, [H]/([H]+2[H2]) ~ 0.436 много меньшеравновесной степени диссоциации (~0.94) при температуре ~6000 K. Это отклонение можетбыть вызвано коротким временем пребывания газа в разрядной зоне и рекомбинациейатомарного водорода на стенках камеры дугового разряда.
Для проверки эффекта начальныхпараметров плазменной струи и параметров на стенке сопла они варьировались в пределах±20% от базовых значений, и оказалось, что расчетные результаты в реакционной камереостаются достаточно стабильными и возмущаются такими вариациями в пределах менее 20%.В настоящих расчетах в качестве базовой температуры стенок расширяющейся частивольфрамового сопла бралась температура 2000 K и значение γH=0.15 для вероятностирекомбинации Н на стенках сопла и реакционной камеры.С этими начальными и граничными условиями 2-D модельные расчеты даютрезультаты, качественно и зачастую количественно согласующиеся с экспериментальнымиизмерениями параметров потока газа и концентраций компонент CH, C2 и C3.
Так, расчетнаяскорость потока на его оси в 20 мм от выходного сечения сопла (r=0, z=20 mm) vz~2400 м/спротив измеренной vz~2600 м/с (по Доплеровскому сдвигу вращательной линии NO-специальной малой добавки-трейсера), а расчетная температура газа T~2000 K (Рис. 4.16)меньше, чем экспериментальная T~2200-2400 K [75], измеряемая по LIF интенсивностямвращательных и колебательных линий СН и вращательных линий NO.
Расчетные Т~2200 Кполучаются при большей остающейся в струе мощности и начальной температуре струиTNZ~7000 K. На этом же рис. 4.16, дающем представление о геометрии центральной частиреакционной камеры с расширяющимся соплом (вверху), приведено распределение мольнойдоли атомарного водорода. Расчетные концентрации Н и Н2 на оси симметрии реакционнойкамеры (r=0) на разных расстояниях z от выходного сечения сопла были следующими:[H]=1.6×1016 см-3,[H2]=6.3×1016 см-3 для z=0 и [H]=5.4×1015 см-3,[H2]=5.5×1016 см-3 дляz=20 мм. Расчетные [H] оказались меньше, чем измеренные методом LIF [78]: [H]=3.8×1016 см-3для z=0 и [H]=2.8×1016 см-3 для z=20 мм.Что касается углеродных и углеводородных компонент, то в их распределенияхнаблюдаются некоторые общие с Бристольским реактором ГХОДП закономерности несмотряна различия в температурах плазменной струи и способах ввода СН4: для некоторыхмолекулярных компонент (например С3, рис.
4.17) распределения в виде полого цилиндра спровалом в центральной части струи и радиальным выносом компонент в холодную зонуциркуляции с потоком после его столкновения с подложкодержателем, неоднородные профилиCxHy по радиусу и оси z. Но есть и важные для осаждения АП отличия. Так, основной167углеродсодержащий радикал в SRI реакторе это СН3, и, как видно из рис. 4.17 (праваяполовина), он неоднородно распределен вдоль подложки (двукратное падение на радиусе 3 ммот [CH3]=1.2×1014 см-3 для r=0 до [CH3]=0.6×1014 см-3 для r=3 мм и z=37.5 мм, т.е. в 0.5 мм отповерхности подложки).
Такой перепад приведет к сравнимой радиальной неоднородности вскорости осаждения АП. Надо также отметить, что заметный вклад в скорость роста АП в SRIреакторе ГХОДП будут вносить также СН2 ([CH2]=3.6×1013 см-3 для r=0) и атомы С([C]=1.7×1013 см-3 для r=0).Рис. 4.16. Расчетные (r,z) распределения температуры газа (слева) и мольной доли (в %)атомарного водорода в центральной части реакционной камере SRI реактора ГХОДП (давлениеp=25 Тор, мощность P=1600 Вт).Рис. 4.17. Двумерные распределения мольных долей (в %) С3 (слева) и СН3 в реакционнойкамере SRI реактора ГХОДП (давление p=25 Тор, мощность P=1600 Вт).168Рис. 4.18.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
