Моделирование индукционно-связанной плазмы пониженного давления с потенциалом смещения и расходом газа

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Численно исследована зависимость параметров индукционно-связанной плазмы аргона при пониженном давлении (13.3–113 Па) и частоте поля 13.56 МГц от приложенного к электроду потенциала и от расхода газа до 4 000 sccm. Модель разработана в среде COMSOL Multiphysics и верифицирована с экспериментальными данными, а также по числу Кнудсена. В результате численного эксперимента выявлено: при линейном увеличении потенциала смещения экспоненциально увеличивается концентрация заряженных частиц и наблюдается несущественный прирост температуры электронов; при линейном увеличении расхода газа экспоненциально растет концентрация заряженных частиц, концентрация возбужденных состояний имеет экстремум при 2 000 sccm, температура газа и электронов растет линейно.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Ю. Шемахин

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: shemakhin@gmail.com
Россия, Казань

Список литературы

  1. Абдуллин И., Желтухин Б., Катанов Н. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях: Теория и практика применения. 2000.
  2. Ventzek P.L., Sommerer T.J., Hoekstra R.J., Kushner M.J. // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 63. P. 605.
  3. Li H., Xu T., Chen J., Zhou H., Liu H. // Appl. Surface Sci. 2004. V. 227. P. 364.
  4. Kosku N., Murakami H., Higashi S., Miyazaki S. // Appl. Surface Sci. 2005. V. 244. P. 39.
  5. Wen D.-Q., Liu W., Gao F., Lieberman M., Wang Y.-N. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 045009.
  6. Kim K.-Y., Kim K.-H., Moon J.-H., Chung C.-W. // Phys. Plasmas. 2020. V. 27. P. 093504.
  7. Yue H., Jian S., Zeyu H., Zhang G., Chunsheng R. // Plasma Sci. Technol. 2017. V. 20. P. 014005.
  8. Tinck S., Boullart W., Bogaerts A. // J. Phys. D: Applied Phys. 2008. V. 41. P. 065207.
 Zhang Y.-R., Zhao Z.-Z., Xue C., Gao F., Wang Y.-N. // J. Phys. D: Applied Phys. 2019. V. 52. P. 295204.
  9. Reed T.B. // J. Appl. Phys. 1961. V. 32. P. 821.
  10. Mostaghimi J., Proulx P., Boulos M.I. // Numerical Heat Transfer. 1985. V. 8. P. 187.
  11. Romig M.F. Steady State Solutions of the Radiofrequency Discharge with Flow // The Physics of Fluids. 1960. V. 3. № 1. C. 129–133.
  12. Racka-Szmidt K., Stonio B., Zelazko J., Filipiak M., Sochacki M. // Materials. 2021. V. 15. P. 123.
  13. Zheng Y., Ye H., Liu J., Wei J., Chen L., Li C. // Materials Lett. 2019. V. 253. P. 276.
  14. Kumabe T., Ando Y., Watanabe H., Deki M., Tanaka A., Nitta S., Honda Y., Amano H. // Japanese J. Appl. Phys. 2021. V. 60. SBBD03.
  15. Dineen M., Loveday M., Goodyear A., Cooke M., Newton A., Baclet S., Ward C., Hemakumara T. // Advanced Etch Technology for Nanopatterning IX. V. 11329. SPIE. 2020. P. 54.
  16. Fairushin I.I., Shemakhin A.Y. // High Energy Chemistry. 2023. V. 57. No. 41.
  17. Jucius D., Grigaliunas V., Juodenas M., Guobiene A., Lazauskas A. // Optical Materials. 2023. V. 136. P. 113437.
  18. Nozaki M., Terashima D., Yoshigoe A., Hosoi T., Shimura T., Watanabe H. //Japanese J. Appl. Phys. 2020. V. 59. SMMA07.
  19. Puranto P., Hamdana G., Pohlenz F., Langfahl-Klabes J., Daul L., Li Z., Wasisto H. S., Peiner E., Brand U. // J. Phys.: Confer. Ser. V. 1319. IOP Publishing. 2019. P. 012008.
  20. Yamada S., Takeda K., Toguchi M., Sakurai H., Nakamura T., Suda J., Kachi T., Sato T. // Appl. Phys. Express. 2020. V. 13. P. 106505.
  21. Sugaya T., Yoon D., Yamazaki H., Nakanishi K., Sekiguchi T., Shoji S. // J. Microelectromechanical Systems. 2019. V. 29. P. 62.
  22. Seok B., Kim S., Jun D., Jang J. // Electronics Lett. 2019. V. 55. P. 660.
  23. Shemakhin A.Y., Zheltukhin V., Khubatkhuzin A. // J. Phys.: Confer. Ser. V. 774. IOP Publishing. 2016. P. 012167.
  24. Shemakhin A.Y., Zheltukhin V. // Mathematica Montisnigri. 2017. V. 39. P. 126.
  25. Terentev T., Shemakhin A.Y., Samsonova E., Zheltukhin V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2022. V. 31. P. 094005.
  26. Zheltukhin V., Terentev T., Shemakhin A., Samsonova E. // J. Phys.: Confer. Ser. V. 1870. IOP Publishing. 2021. P. 012018.
  27. Zheltukhin V.S., Shemakhin A.Y., Terentev T.N., Samsonova E.S. // Mesh Methods for Boundary-Value Problems and Applications: 13th International Conference, Kazan, Russia, October 20–25, 2020. Springer. 2021. P. 587.
  28. Zheltukhin V., Shemakhin A.Y. // Mathematical models and computer simulations. 2014. V. 6. P. 101.
  29. Lindner H., Murtazin A., Groh S., Niemax K., Bogaerts A. // Analytical chemistry. 2011. V. 83. P. 9260.
  30. Bernardi D., Colombo V., Ghedini E., Mentrelli A. // Pure and applied chemistry. 2005. V. 77. P. 359.
  31. Ferreira C., Loureiro J., Ricard A. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57. P. 82.
  32. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Наука, 1967.
  33. Шемахин А.Ю. // Химия высоких энергий. 2021. T. 58. С. 61.
  34. PHELPS database. http://www.lxcat.laplace.univ-tlse.fr, June 4, 2013.
  35. COMSOL AB. Stockholm. Sweden. COMSOL Multiphysics License No. 9602172. Ver. 5.6. htttp://www.comsol.com

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема установки, обозначения границ и геометрия расчетной области двумерной осесимметричной модели. Размеры даны в мм, подача аргона проходит с нижнего торца трубки, на верхнем торце задано постоянное давление (граничное условие откачки газа). Фиолетовыми линиями схематично изображен плазменнный сгусток

Скачать (136KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Блок-схема численной модели. Основные уравнения приведены в блоках, каждый блок принимает на вход определенный набор переменных и выдает результаты расчетов в виде следующих переменных. Стрелками обозначены переходы из одного блока уравнений в другой

Скачать (234KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Область распределения (а), распределение напряженности потенциального поля Ep,z вдоль разрядной трубки при разных значениях потенциала смещения φ на верхней границе (б)

Скачать (110KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Область распределения (а), зависимость температуры электронов на выходе разрядной трубки от потенциала смещения φ на верхней границе (б)

Скачать (221KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Пространственное распределение средней энергии электронов при расходе газа G = 2000 sccm (а), G = 3000 sccm (б), G = 8000 sccm (в)

Скачать (220KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Соотношение числа Дебая к диаметру разрядной камеры при расходе газа G = 2000 sccm (а), G = 3000 sccm (б), G = 8000 sccm (в)

Скачать (187KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Число Кнудсена Kn в безрасходном режиме при p = 13 Па (а), p = 26 Па (б), p = 53 Па (в)

Скачать (177KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Число Кнудсена Kn при p = 9.65 Па (а), p = 53 Па (б) и расходе 8000 sccm

Скачать (120KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Пространственное распределение давления p (а), модуля скорости v (б) и температуры газа (в) при расходе газа G = 2000 sccm

Скачать (204KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Область распределения (а); зависимость концентрации электронов, возбужденных состояний и ионов на выходе разрядной трубки ne,m,i:outlet от расхода газа G (б). Графики концентрации электронов ne и ионов ni накладываются друг на друга, вследствие чего зависимость ni плохо видна на рисунке; температура электронов и температура нейтральных частиц в зависимости от расхода газа G (в)

Скачать (200KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Область распределения (а); зависимость концентраций электронов nez (б), возбужденных состояний nmz (в) и нейтральных атомов аргона niz (г) вдоль разрядной трубки (а) от расхода газа G

Скачать (241KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024