Низкотемпературная плазма это. Низкотемпературная плазма: свойства, получение и применение

Что такое низкотемпературная плазма. Как получают низкотемпературную плазму. Какие процессы происходят в низкотемпературной плазме. Где применяется низкотемпературная плазма. Каковы перспективы использования низкотемпературной плазмы.

Что такое низкотемпературная плазма и ее основные свойства

Низкотемпературная плазма — это частично ионизированный газ, состоящий из электронов, ионов и нейтральных частиц. Ее ключевые характеристики:

• Температура электронов не превышает 10 эВ (около 100 000 K)
• Степень ионизации обычно менее 1%
• Плазма находится в неравновесном состоянии — температура электронов значительно выше температуры ионов и нейтральных частиц
• Плазма является квазинейтральной — концентрации положительных и отрицательных зарядов примерно равны

Низкотемпературная плазма обладает уникальными свойствами, сочетая в себе характеристики газа и ионизированной среды. Это обуславливает ее широкое применение в различных областях науки и технологий.

Способы получения низкотемпературной плазмы

Существует несколько основных методов создания низкотемпературной плазмы:

1. Газовый разряд

Наиболее распространенный способ — создание электрического разряда в газе при пониженном давлении. При этом различают:

• Тлеющий разряд
• Высокочастотный разряд
• Микроволновый разряд
• Дуговой разряд

2. Лазерная плазма

Образуется при воздействии мощного лазерного излучения на поверхность твердого тела или газ. Позволяет создавать очень плотную и горячую плазму на короткое время.

3. Пучковая плазма

Формируется при прохождении пучка заряженных частиц (обычно электронов) через нейтральный газ. Широко используется в плазменных ускорителях.

Основные процессы в низкотемпературной плазме

В низкотемпературной плазме протекают разнообразные физические и химические процессы:

• Ионизация и возбуждение атомов и молекул электронным ударом
• Диссоциация молекул
• Рекомбинация заряженных частиц
• Перенос энергии между частицами при столкновениях
• Излучение и поглощение электромагнитных волн
• Дрейф и диффузия заряженных частиц
• Образование химически активных частиц — радикалов

Сложное взаимодействие этих процессов определяет уникальные свойства низкотемпературной плазмы и ее поведение.

Области применения низкотемпературной плазмы

Низкотемпературная плазма нашла широкое применение в различных областях науки и техники:

Микроэлектроника

Плазменные технологии активно используются при производстве интегральных схем:

• Плазменное травление кремния и других материалов
• Осаждение тонких пленок из плазмы
• Очистка поверхностей в плазме
• Плазмохимическое удаление фоторезиста

Обработка материалов

Низкотемпературная плазма применяется для модификации свойств поверхности различных материалов:

• Плазменная полимеризация
• Плазменная активация поверхности
• Нанесение защитных и функциональных покрытий
• Плазменная стерилизация

Источники света

На основе низкотемпературной плазмы созданы эффективные источники света:

• Люминесцентные лампы
• Ртутные лампы высокого давления
• Металлогалогенные лампы
• Плазменные дисплейные панели

Перспективные направления исследований низкотемпературной плазмы

Несмотря на широкое практическое применение, физика низкотемпературной плазмы остается активной областью исследований. Некоторые перспективные направления:

• Создание новых типов плазменных источников
• Исследование нелинейных явлений в плазме
• Разработка методов диагностики неравновесной плазмы
• Моделирование плазмохимических процессов
• Применение плазмы для синтеза наноматериалов
• Плазменные технологии для медицины и экологии

Развитие этих направлений позволит создать новые эффективные плазменные технологии для различных областей науки и техники.

Экологические аспекты использования низкотемпературной плазмы

Плазменные технологии обладают рядом преимуществ с точки зрения экологии:

• Возможность проведения процессов без использования токсичных химических реагентов
• Высокая энергоэффективность многих плазменных процессов
• Применение для очистки газовых выбросов и сточных вод
• Переработка и обезвреживание опасных отходов

Однако существуют и определенные экологические риски, связанные с образованием озона и оксидов азота в воздушной плазме, а также возможным электромагнитным излучением плазменных установок. Эти аспекты требуют тщательного изучения и контроля.

Заключение: перспективы развития технологий на основе низкотемпературной плазмы

Низкотемпературная плазма остается одним из наиболее перспективных объектов исследований современной физики. Уникальное сочетание свойств ионизированного газа и неравновесной системы открывает широкие возможности для создания новых технологий в различных областях — от микроэлектроники до медицины и экологии.

Дальнейшее развитие методов диагностики и моделирования плазмы позволит лучше понять протекающие в ней процессы и научиться более эффективно управлять ими. Это приведет к появлению новых плазменных технологий, которые найдут применение в производстве материалов с уникальными свойствами, создании миниатюрных источников энергии, разработке новых методов лечения заболеваний и решении экологических проблем.

Таким образом, исследования низкотемпературной плазмы имеют не только фундаментальное научное значение, но и огромный потенциал для практического применения, что делает эту область одним из важнейших направлений развития современных технологий.

Лаборатория физики плазмы — Кафедра атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники

Низкотемпературная плазма – это слабоионизованный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул и заряженных частиц (ионов и электронов). Данное состояние вещества достигается посредством газового разряда. Сложность полного описания газовых разрядов из базовых физических принципов делает низкотемпературную плазму интересным объектом фундаментальных физических исследований как теоретических, так и экспериментальных. В лаборатории физики плазмы исследуются объемные и поверхностные процессы в разрядах постоянного тока, высокочастотных и СВЧ-разрядах в различных атомарных и молекулярных газах с помощью оптических, зондовых и масс-спектрометрических методов измерения параметров плазмы, а также разрабатываются численные модели газовых разрядов и элементарных процессов в плазме.

Большинство этапов производства современных микро- и наноструктур (в микроэлектронике, микромеханике и т .

д.) предполагает использование газовых разрядов низкого давления. Постоянное уменьшение размеров структур и усложнение их топологии требует проведения физических исследований при внедрении новых технологических процессов. Лаборатория физики плазмы в сотрудничестве с ведущими мировыми исследовательскими центрами и технологическими компаниями занимается исследованиями таких проблем как предотвращение плазменной модификации новых материалов в процессе производства микросхем, плазменная очистка зеркал, применяемых в современных литографах и др.

Руководитель направления: профессор, д.ф.-м.н. Рахимов Александр Турсунович

Руководитель теоретической группы: в.н.с., к.ф.-м.н. Рахимова Татьяна Викторовна

Руководитель экспериментальной группы: в.н.с., к.ф.-м.н. Лопаев Дмитрий Викторович

Исследование объемных и поверхностных процессов в неравновесной низкотемпературной плазме при взаимодействии плазмы с современными материалами микроэлектроники.

Структурирование поверхности твердотельных пластин  с применением низкотемпературной плазмы является одним из основных  высокотехнологичных  процессов  производства современных интегральных микросхем (СБИС).  В настоящее время исследование процессов, определяющих характер структурирования поверхностей,  направлено на продвижение использования плазмы в область создания структур с размером близким к атомарному, т.е. порядка нескольких  нанометров. Среди    этих исследования одним из ключевых звеньев  в   создании  СБИС следующего поколения является  разработка бездефектного плазменного травления материалов с ультранизкой константой диэлектрической проницаемости (ULK). Анизотропное  травление таких  материалов  в современной микротехнологии осуществляется с помощью низкотемпературной плазмы высокочастотных (ВЧ) разрядов в смесях фторуглеродов и фторуглеводородов. Под действием активных реагентов плазмы (атомы фтора и фотоны в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ)) такие диэлектрики модифицируются, что приводит к ухудшению электрических свойств диэлектрика (токи утечки, увеличение диэлектрической проницаемости и т.

д.). Зачастую, экспериментальное исследование свойств такой сложной плазмы и получение потоков активных частиц из плазмы на поверхность обрабатываемого материала в условиях реальных технологических установок практически невозможно.  Поэтому на  кафедре  созданы специально разработанные экспериментальные установки, оснащенные оригинальными диагностическими  средствами, позволяющие детально исследовать плазмохимические процессы, что позволит прогнозировать разработку технологических  плазменных реакторов следующего поколения.

Плотность радикалов и стабильных молекул (верх) и ВУФ излучения (низ) на дно и боковую поверхность ULK материалов в плазме Ar/CF4

В ходе исследований было проведено измерения большого числа параметров плазмы (концентрации электронов, отрицательных и положительных ионов) и концентрации различных нейтральных частиц в ВЧ емкостной плазме CF

4/Ar и CHF₃/Ar, а также поток излучения плазмы в ВУФ и УФ диапазонах, наиболее важных с точки зрения деградации новых диэлектрических материалов. На основании проведенных измерений, а также расчетов с помощью самосогласованной  модели частиц в ячейках с Монте Карло столкновениями были получены или верифицированы константы скоростей реакций, определяющих ионный состав данных смесей, получены концентрации основных радикалов и поток ВУФ излучения,  подтверждено существование двух мод разряда в зависимости от электроотрицательности плазмы.  Экспериментально показано, что воздействие плазмы фторуглеродов на нанопористые ULK диэлектрики приводит к их деградации, в основном, за счет радикалов фтора и ВУФ фотонов из плазмы. Обнаружено, что как модификация материала в реакциях с фтором, так и травление  материала обладают энергией активации. Тем самым, травление и деградация материалов сильно зависит от температуры образца. Кроме того, было показано, что присутствующий в большинстве травильных смесей аргон вносит большой вклад в интенсивность ВУФ излучения плазмы.

Предложен многостадийный механизм повреждения и травления ULK органосиликатных пленок атомами фтора (удаление метильных -Ch4 групп) и проведены детальные динамические и статические расчеты отдельных реакций механизма методом функционала плотности (DFT). DFT расчеты позволили выявить возможную причину существенно более быстрого травления фтором  ULK пленок по сравнению с обычными SiO2 пленками. Экспериментальные измерения гибели метильных групп при разных температурах пленок и проведенные расчеты (по 1-D Монте-Карло модели) позволили найти энергию E активации реакции Si-Ch4 + F → Si-Ch3 + HF.

 Моделирование плазменного травления low-k диэлектриков

Основная задача компьютерного моделирования – выявление механизмов взаимодействия частиц плазмы (атомов, молекул, атомарных и молекулярных ионов) с поверхностью ULK диэлектриков для  разработки технологии плазменного травления подобных материалов с минимизацией повреждения СН₃ групп. В общем случае процессы взаимодействия ULK диэлектриков с плазмой  относятся к различным пространственно-временным масштабам (время взаимодействия отдельных атомов друг с другом составляет единицы-сотни фемтосекунд, для релаксации дефектов требуются значительно более длительные временные интервалы, а сам процесс травления пленки толщиной в 100-200 нм может происходить за сотни и тысячи секунд в зависимости от условий разряда в плазме), поэтому при исследований указанных процессов необходимо применять методы многомасштабного моделирования (multiscale simulation).

Ab initio методы («из первых принципов»)

• Расчет межатомных парных и многочастичных потенциалов для последующего использования при моделировании методом молекулярной динамики и в моделях Монте-Карло
• Изучение особенностей структуры и электронного строения 2D материалов (графен, MoS₂, h-BN) и других наноразмерных объектов (углеродные и борнитридные нанотрубки, наночастицы различного состава и т.д.)
• Моделирование химических реакций на поверхности ULK материалов
• Использование современных программных комплексов: MOLPRO, VASP, NWChem

Молекулярная динамика

• Изучение особенностей структуры ULK материалов с использованием потенциалов, полученных с помощью ab initio методов
• Физическое и химическое процессов распыления пористых ULK диэлектриков и наноструктур

Метод Монте-Карло

• Процессы травления low-k материалов
• 2D и 3D модели плазмохимических реакторов с активацией сложных газовых смесей ВЧ, СВЧ, DC и dc arc-jet разрядами
• Химическая кинетика, тепло- и массо-перенос, поверхностные процессы

Большинство расчетов производится на суперкомпьютере «Ломоносов» суперкомпьютерного комплекса МГУ.

 

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА • Большая российская энциклопедия

НИЗКОТЕМПЕРАТУ́РНАЯ ПЛА́ЗМА, иони­зо­ван­ный газ, со­стоя­щий из элек­тро­нов, ио­нов и ней­траль­ных час­тиц, у ко­то­ро­го ср. энер­гия элек­тро­нов мень­ше ха­рак­тер­но­го по­тен­циа­ла ио­ни­за­ции ато­ма (<10 эВ). Темп-pa Н. п. обыч­но не пре­вы­ша­ет 10⁵ К. Плаз­ма с темп-рой >10⁶-10⁷ К на­зы­ва­ет­ся вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной. Обыч­но Н. п. ио­ни­зо­ва­на сла­бо, т. е. чис­ло ней­траль­ных ато­мов и моле­кул зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет чис­ло элек­тро­нов и ио­нов. От­но­ше­ние чис­ла ио­ни­зо­ван­ных ато­мов к их пол­но­му чис­лу в еди­ни­це объ­ё­ма на­зы­ва­ет­ся сте­пе­нью ио­ни­за­ции плаз­мы. В со­от­вет­ст­вии с фи­зич. свой­ст­ва­ми Н. п. мо­жет быть ста­цио­нар­ной или не­ста­цио­нар­ной, рав­но­вес­ной или не­рав­но­вес­ной, иде­аль­ной или не­иде­аль­ной.

Ста­цио­нар­ная Н. п. об­ла­да­ет су­ще­ст­вен­но бо́льшим вре­ме­нем жиз­ни по срав­не­нию со вре­ме­нем ре­лак­са­ции в ней. Вре­мя жиз­ни не­ста­цио­нар­ной (им­пульс­ной) Н. п. оп­ре­де­ля­ет­ся вре­ме­нем ус­та­нов­ле­ния рав­но­ве­сия в плаз­ме и внеш­ни­ми ус­ло­вия­ми. Плаз­ма, вре­мя жиз­ни ко­то­рой не­зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет ха­рак­тер­ное вре­мя про­цес­сов ре­лак­са­ции, на­зы­ва­ет­ся ква­зи­ста­цио­нар­ной.

Ес­ли темп-ры элек­тро­нов, ио­нов и ней­траль­ных час­тиц сов­па­да­ют и сте­пень ио­ни­за­ции со­от­вет­ст­ву­ет тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сию, то плаз­ма на­зы­ва­ет­ся рав­но­вес­ной. В Н. п. лег­ко соз­да­ют­ся не­рав­но­вес­ные ус­ло­вия: под воз­дей­ст­ви­ем внеш­них элек­трич. по­лей за­ря­жен­ные час­ти­цы ус­ко­ря­ют­ся, а за­тем от­да­ют энер­гию час­ти­цам га­за при столк­но­ве­ни­ях. В та­ком слу­чае ср. энер­гия за­ря­жен­ных час­тиц мо­жет зна­чи­тель­но от­ли­чать­ся от те­п­ло­вой энер­гии ней­траль­ных час­тиц. Осо­бен­но это от­но­сит­ся к элек­тро­нам, ко­то­рые из-за ма­лой мас­сы не­эф­фек­тив­но об­ме­ни­ва­ют­ся энер­ги­ей при уп­ру­гом столк­но­ве­нии с ней­траль­ны­ми час­ти­ца­ми га­за. 3)≪1$, где $μ$ – па­ра­метр иде­аль­но­сти.

В не­иде­аль­ной плаз­ме, в ко­то­рой энер­гия взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц со­пос­та­ви­ма с их ки­не­тич. энер­ги­ей или пре­вы­ша­ет её (пол­но­стью ио­ни­зо­ван­ная плаз­ма), с боль­шой ско­ро­стью про­ис­хо­дит ре­ком­би­на­ция ио­нов и элек­тро­нов. Плот­ность за­ря­жен­ных час­тиц су­ще­ст­вен­но па­да­ет, их темп-pa по­вы­ша­ет­ся, и плаз­ма пе­ре­ста­ёт быть не­иде­аль­ной.

Способы создания низкотемпературной плазмы

По спо­со­бам по­лу­че­ния и ис­поль­зо­ва­ния Н. п. мож­но раз­де­лить на га­зо­раз­ряд­ную, пуч­ко­вую, фо­то­ре­зо­нанс­ную, ла­зер­ную, ио­но­сфер­ную, сол­неч­ную, кос­ми­че­скую. В Н. п. по­те­ри за­ря­жен­ных час­тиц свя­за­ны с ре­ком­би­на­ци­ей элек­тро­нов и ио­нов и с ухо­дом за­ря­жен­ных час­тиц на стен­ки ка­ме­ры или за пре­де­лы за­ни­мае­мо­го объ­ё­ма. Для под­дер­жа­ния су­ще­ст­во­ва­ния плаз­мы не­об­хо­ди­мы про­цес­сы ио­ни­за­ции.

Наи­бо­лее из­вест­ный и про­стой спо­соб по­лу­че­ния Н.  п. – га­зо­раз­ряд­ный. Плаз­ма соз­да­ёт­ся в ре­зуль­та­те про­те­ка­ния в га­зе элек­трич. то­ка ме­ж­ду элек­тро­дами, к ко­то­рым при­ло­же­на по­сто­ян­но под­дер­жи­вае­мая раз­ность по­тен­циа­лов. Мо­гут быть реа­ли­зо­ва­ны разл. ти­пы га­зо­во­го раз­ря­да (см. Элек­три­че­ские раз­ря­ды в га­зах) в за­ви­си­мо­сти от кон­ст­рук­ции га­зо­раз­ряд­ной ка­ме­ры и ис­поль­зуе­мых для соз­да­ния раз­ря­да элек­трич. или элек­тро­маг­нит­ных по­лей.

Га­зо­раз­ряд­но­му спо­со­бу соз­да­ния Н. п. по­доб­но по­лу­че­ние её при элек­трич. про­бое га­за под дей­ст­ви­ем раз­но­сти по­тен­циа­лов, при­ло­жен­ной к элек­тро­дам. В этом слу­чае по­лу­ча­ют им­пульс­ную плаз­му, ко­то­рая рас­па­да­ет­ся, как толь­ко кон­ден­са­тор раз­ря­дит­ся. По­доб­ное яв­ле­ние име­ет ме­сто в при­зем­ной ат­мо­сфе­ре: мол­ния – про­бой га­за ме­ж­ду об­ла­ка­ми или ме­ж­ду об­ла­ком и зем­лёй во вре­мя гро­зы.

Под дей­ст­ви­ем ре­зо­нанс­но­го из­лу­че­ния об­ра­зу­ет­ся т.  н. фо­то­ре­зо­нанс­ная плаз­ма. Энер­гия фо­то­нов ре­зо­нанс­но­го из­лу­че­ния сов­па­да­ет с энер­ги­ей воз­бу­ж­де­ния ато­мов или мо­ле­кул га­за. Об­ра­зуе­мые при по­гло­ще­нии ре­зо­нанс­ных фо­то­нов воз­бу­ж­дён­ные ато­мы или мо­ле­ку­лы при даль­ней­ших столк­но­ве­ни­ях ио­ни­зу­ют­ся. В ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ка ре­зо­нанс­но­го из­лу­че­ния ис­поль­зу­ет­ся раз­ряд­ная лам­па или пе­ре­страи­вае­мый по час­то­те ла­зер. Этот спо­соб ге­не­ра­ции плаз­мы по­зво­ляет лег­ко ре­гу­ли­ро­вать её па­ра­мет­ры, по­это­му фо­то­ре­зо­нанс­ная плаз­ма при­ме­ня­ет­ся при соз­да­нии плаз­мен­ных не­ли­ней­ных оп­тич. эле­мен­тов для пре­об­ра­зо­ва­ния и ста­би­ли­за­ции час­то­ты ла­зер­но­го из­лу­че­ния, а так­же для соз­да­ния ис­точ­ни­ков ио­нов раз­но­го сор­та, акус­тич. ис­точ­ни­ков и т. д.

Ла­зер­ная плаз­ма об­ра­зу­ет­ся при взаи­мо­дей­ст­вии ла­зер­но­го из­лу­че­ния с по­верх­но­стью, га­зом или кла­стер­ным пуч­ком. В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий воз­никают разл. ти­пы ла­зер­ной плаз­мы. В ча­ст­но­сти, фем­то­се­кунд­ная ла­зер­ная плаз­ма соз­да­ёт­ся при об­лу­че­нии по­верх­но­сти или пуч­ка кла­сте­ров сфо­ку­си­ро­ван­ным мощ­ным ла­зер­ным им­пуль­сом, на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля ко­то­ро­го зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет внут­ри­атом­ное по­ле. Об­ра­зуе­мая ко­рот­ко­жи­ву­щая плаз­ма со­сто­ит из элек­тро­нов и мно­го­за­ряд­ных ио­нов и яв­ля­ет­ся ис­точ­ни­ком рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Фем­то­се­кунд­ная ла­зер­ная плаз­ма с уча­сти­ем кла­сте­ров дей­те­рия ис­поль­зу­ет­ся для ге­не­ра­ции ней­тро­нов.

Пуч­ко­вая плаз­ма воз­ни­ка­ет при про­хо­ж­де­нии че­рез газ пуч­ка элек­тро­нов с энер­ги­ей в неск. со­тен кэВ. Та­кие бы­ст­рые элек­тро­ны из элек­трон­ной пуш­ки на­прав­ля­ют­ся в ла­бо­ра­тор­ную ус­та­нов­ку, со­дер­жа­щую газ при бо­лее вы­со­ких дав­ле­ни­ях. Воз­ни­каю­щие при ио­ни­за­ции ато­мов или ио­нов вто­рич­ные элек­тро­ны име­ют энер­гию, в неск. раз пре­вы­шаю­щую по­тен­ци­ал их ио­ни­за­ции. Да­лее ис­поль­зу­ет­ся энер­гия этих вто­рич­ных элек­тро­нов, по­это­му кпд уст­ройств, воз­бу­ж­дае­мых элек­трон­ным пуч­ком, дос­та­точ­но ве­лик. Напр., кпд мо­ле­ку­ляр­ных, хи­мич. и эк­си­мер­ных ла­зе­ров, воз­бу­ж­дае­мых элек­трон­ным пуч­ком, пре­вы­ша­ет 10%. Од­на­ко осн. дос­то­ин­ст­во воз­бу­ж­де­ния плаз­мы элек­трон­ным пуч­ком – воз­мож­ность бы­ст­ро­го под­во­да энер­гии. Ха­рак­тер­ные вре­ме­на воз­бу­ж­де­ния плаз­мы элек­трон­ным пуч­ком по­ряд­ка 10^–9 с.

Н. п. мо­жет быть по­лу­че­на под дей­ст­ви­ем жё­ст­ко­го элек­тро­маг­нит­но­го из­луче­ния, ио­ни­зую­ще­го газ (ио­но­сфе­ра Зем­ли и др. пла­нет), в ре­зуль­та­те про­хож­де­ния пуч­ка ио­нов или ней­тро­нов че­рез газ. Н. п. мож­но соз­дать с ис­поль­зо­ва­ни­ем ра­дио­ак­тив­ных ис­точ­ни­ков; в пла­мё­нах за­ря­жен­ные час­ти­цы об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те про­цес­сов хе­мио­ни­за­ции.

Процессы в низкотемпературной плазме

В Н. п. про­ис­хо­дят эле­мен­тар­ные про­цес­сы воз­бу­ж­де­ния, ио­ни­за­ции, ре­ком­би­на­ции за­ря­жен­ных час­тиц, хи­мич. {1/2}$ ($m_e$ – мас­са элек­тро­на), и ион­но-зву­ко­вые ко­ле­ба­ния, оп­ре­де­ляе­мые пе­ре­ме­ще­ни­ем ио­нов. Эти ти­пы ко­ле­ба­ний раз­ли­ча­ют­ся из-за раз­ной мас­сы элек­тро­нов и ио­нов. В не­од­но­род­ной Н. п., а так­же и в од­но­род­ной при на­ли­чии внеш­них по­лей воз­ни­ка­ют но­вые ти­пы ос­цил­ля­ций. Напр., в од­но­род­ной Н. п., на­хо­дя­щей­ся в по­сто­ян­ном маг­нит­ном по­ле, воз­ни­ка­ют маг­ни­тоз­ву­ко­вые вол­ны и маг­ни­то­гид­ро­ди­на­мич. вол­ны (аль­ве­нов­ские вол­ны), рас­про­стра­няю­щие­ся со­от­вет­ст­вен­но по­пе­рёк и вдоль маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний. К ним сле­ду­ет до­ба­вить цик­ло­трон­ные вол­ны, со­от­вет­ст­вую­щие вра­ще­нию элек­тро­нов или ио­нов в маг­нит­ном по­ле (см. Вол­ны в плаз­ме). Из-за сме­ши­ва­ния раз­ных ти­пов ко­ле­ба­ний их чис­ло уве­ли­чи­ва­ет­ся. Напр., в ат­мо­сфе­ре на­блю­да­ют­ся сви­стя­щие ат­мо­сфе­ри­ки, ко­то­рые яв­ля­ют­ся сме­сью элек­тро­маг­нит­ной и цик­ло­трон­ной волн и рас­про­стра­ня­ют­ся вдоль маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний.

Кол­лек­тив­ные яв­ле­ния влия­ют на свой­ст­ва Н. п., а не­ус­той­чи­во­сти ко­ле­ба­ний плаз­мы при­во­дят к воз­ник­но­ве­нию плаз­мен­ных струк­тур и рас­кач­ке оп­ре­де­лён­ных ти­пов волн. Ко­гда ам­пли­ту­да этих волн ста­но­вит­ся за­мет­ной, эво­лю­ция плаз­мы оп­ре­де­ля­ет­ся не­ли­ней­ны­ми про­цес­са­ми. Од­ним из при­ме­ров это­го яв­ля­ет­ся воз­ник­но­ве­ние со­ли­то­на – уе­ди­нён­ной вол­ны, пред­став­ляю­щей со­бой не гар­мо­нич. рас­пре­де­ле­ние час­тиц в про­стран­ст­ве, а вы­со­кую плот­ность час­тиц, со­сре­до­то­чен­ную в уз­кой об­лас­ти про­стран­ст­ва.

Применение низкотемпературной плазмы

Раз­но­об­раз­ное ис­поль­зо­ва­ние Н. п. оп­ре­де­ля­ет­ся про­сто­той её соз­да­ния. Га­зо­раз­ряд­ная плаз­ма при­ме­ня­ет­ся в ис­точ­ни­ках све­та, га­зо­вых ла­зе­рах, в плаз­мохи­мич. про­цес­сах и про­цес­сах очи­ст­ки га­зов, для об­ра­бот­ки по­верх­но­стей, в разл. тех­но­ло­гич. и ме­тал­лур­гич. про­цес­сах. Н. п. как ра­бо­чее те­ло ис­поль­зу­ет­ся для пре­об­ра­зо­ва­ния те­п­ло­вой энер­гии в элек­три­че­скую в маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ских ге­не­ра­то­рах и тер­мо­эмис­си­он­ном пре­об­ра­зо­ва­те­ле энер­гии. В плаз­мо­тро­не Н. п. вы­пол­ня­ет роль те­п­ло­носи­те­ля. Вво­ди­мая в плаз­му элек­трич. энер­гия пе­ре­да­ёт­ся элек­тро­нам, а от них – ато­мам и/или мо­ле­ку­лам га­за и на­гре­ва­ет плаз­му.

Ши­ро­кое тех­но­ло­гич. при­ме­не­ние плаз­мы обес­пе­чи­ва­ет­ся дву­мя её ка­че­ст­ва­ми. Во-пер­вых, плаз­ма яв­ля­ет­ся от­лич­ным те­п­ло­но­си­те­лем, т. к. в ней дос­ти­га­ют­ся бо­лее вы­со­кие темп-ры, чем в го­рел­ках на хи­мич. то­п­ли­ве. Во-вто­рых, в плаз­ме об­ра­зу­ет­ся мно­го ио­нов, ра­ди­ка­лов и разл. хи­ми­че­ски ак­тив­ных час­тиц, по­это­му с её по­мо­щью мож­но про­вес­ти хи­мич. про­цес­сы в объ­ё­ме или на по­верх­но­сти. По­сколь­ку макс. темп-pa в хи­мич. го­рел­ках не пре­вы­ша­ет 3000 К, их при­ме­не­ние для свар­ки и рез­ки ме­тал­лов ог­ра­ни­че­но. Ду­го­вой раз­ряд по­зво­ля­ет соз­дать плаз­му с темп-рой в 3–4 раза вы­ше, ко­то­рая при со­при­кос­но­ве­нии с ме­тал­лом рас­плав­ля­ет его. Плаз­мен­ные ме­то­ды свар­ки и рез­ки ме­тал­лов обес­пе­чи­ва­ют бо­лее вы­со­кие про­из­во­ди­тель­ность и ка­че­ст­во про­дук­та, да­ют мень­ше от­хо­дов, но тре­бу­ют бо́ль­ших за­трат энер­гии и бо­лее до­ро­го­го обо­ру­до­ва­ния.

Плаз­ма как хо­ро­ший те­п­ло­но­си­тель по­зво­ля­ет про­из­во­дить тер­мич. об­ра­бот­ку по­верх­но­сти и её за­кал­ку. При од­ном спо­со­бе об­ра­бот­ки по­верх­но­сти ак­тив­ные час­ти­цы плаз­мы всту­па­ют в хи­мич. ре­ак­цию с ма­те­риа­лом по­верх­но­сти, об­ра­зуя, напр., нит­ри­ды или кар­би­ды ме­тал­лов, что уп­роч­ня­ет по­верх­ность. При др. спо­со­бе об­ра­бот­ки плаз­ма не всту­па­ет с по­верх­но­стью в хи­мич. ре­ак­цию, но об­ра­зу­ет на ней свои хи­мич. со­еди­не­ния в ви­де плё­нок, улуч­шаю­щих фи­зич. па­ра­мет­ры по­верх­но­сти. Тол­щи­на плён­ки, на­пы­ляе­мой на по­верх­ность, про­пор­цио­наль­на вре­ме­ни плаз­мен­но­го про­цес­са. Ме­няя со­став плаз­мы, мож­но соз­да­вать мно­го­слой­ную струк­ту­ру. Об­ра­бот­ка отд. сло­ёв сфо­ку­си­ро­ван­ным из­лу­че­ни­ем ртут­ной лам­пы или ла­зе­ра по­зво­ля­ет по­лу­чать про­фи­ли­ро­ван­ные плён­ки с ми­ним. раз­ме­ром отд. эле­мен­тов в неск. мик­ро­мет­ров. Н. п. при­ме­ня­ет­ся для соз­да­ния по­ли­ме­ров и по­ли­мер­ных мем­бран, при про­из-ве по­рош­ков ке­ра­мич. со­еди­не­ний ($\ce{SiC, Si3N4}$), ме­тал­лов и их ок­си­дов (см. Плаз­мо­хи­мия).

Н. п. ис­поль­зу­ет­ся для ана­ли­за эле­мент­но­го со­ста­ва ве­ще­ст­ва, осу­ще­ст­в­ляе­мо­го дву­мя спо­со­ба­ми. В пер­вом из них ис­сле­дуе­мое ве­ще­ст­во вво­дит­ся в плаз­мен­ную го­рел­ку (ду­го­вой раз­ряд с про­точ­ной плаз­мой) в мик­ро­ко­ли­че­ст­вах ли­бо в ви­де по­рош­ка, ли­бо в ви­де ка­пель. В плаз­ме ве­ще­ст­во дис­со­ции­ру­ет на ато­мы, ко­то­рые час­тич­но воз­бу­ж­да­ют­ся и из­лу­ча­ют. По спек­траль­но­му со­ста­ву из­лу­че­ния оп­ре­де­ля­ет­ся эле­мент­ный со­став ве­ще­ст­ва. Этот ме­тод, на­зы­вае­мый эмис­си­он­ным спек­траль­ным ана­ли­зом, по­зво­ля­ет на­дёж­но оп­ре­де­лять со­дер­жа­ние при­ме­сей в ко­ли­че­ст­ве ⩾10^–3–10^–2%. В др. спо­со­бе эле­мент­но­го ана­ли­за ис­сле­дуе­мое ве­ще­ст­во так­же вво­дит­ся в пла­мя или в про­точ­ную плаз­му га­зо­во­го раз­ря­да, ко­то­рые на­хо­дят­ся ме­ж­ду дву­мя элек­тро­да­ми. Пла­мя или плаз­ма об­лу­ча­ют­ся из­лу­че­ни­ем пе­ре­страи­вае­мо­го ла­зе­ра, и ток че­рез плаз­му из­ме­ря­ет­ся как функ­ция дли­ны вол­ны из­лу­че­ния. Ко­гда из­лу­че­ние по­па­да­ет в ре­зо­нанс с пе­ре­хо­да­ми ато­мов, на­хо­дя­щих­ся в плаз­ме, ус­ло­вия ио­ни­за­ции ато­мов и раз­ряд­ный ток из­ме­ня­ют­ся. Чув­ст­ви­тель­ность ме­то­дов, ис­поль­зую­щих этот эф­фект (на­зы­вае­мый оп­то­галь­ва­ни­че­ским), на неск. по­ряд­ков вы­ше эмис­си­он­но­го.

Ряд идей при­ме­не­ния Н. п. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся лишь че­рез мно­го лет. Так, кон­ст­рук­ция плаз­мен­ных па­не­лей (плаз­мен­ных дис­пле­ев) для те­ле­ви­де­ния бы­ла опи­са­на в 1936, а пер­вые пром. об­раз­цы созда­ны че­рез 30 лет. Плаз­мен­ный дис­плей пред­став­ля­ет со­бой сис­те­му двух на­бо­ров па­рал­лель­ных про­во­лок, рас­по­ло­жен­ных пер­пен­ди­ку­ляр­но, так что в зо­не пе­ре­се­че­ния двух про­во­лок за­жи­га­ет­ся га­зо­вый раз­ряд, управ­ляе­мый внеш­ним ис­точ­ни­ком, ко­то­рый мо­жет ме­нять ин­тен­сив­ность и цвет ка­ж­до­го отд. раз­ря­да.

В кон. 20 – нач. 21 вв. свой­ст­ва Н. п. ста­ли ис­поль­зо­вать­ся для ре­ше­ния разл. мед. за­дач. Мощ­ная рав­но­вес­ная плаз­ма по­зво­ля­ет унич­то­жать опас­ные мед. от­хо­ды, ме­нее мощ­ная плаз­ма при­ме­ня­ет­ся для сте­ри­ли­за­ции мед. ин­ст­ру­мен­тов, т. н. плаз­мен­ный нож (уз­кий по­ток плаз­мы) ис­поль­зу­ет­ся для раз­ре­за­ния жи­вой тка­ни в хи­рур­гии. Ак­тив­ные час­ти­цы Н. п. (элек­тро­ны, ио­ны, ме­та­ста­биль­ные ато­мы и мо­ле­ку­лы) ока­зы­ва­ют ан­ти­сеп­тич. дей­ст­вие при за­жив­ле­нии ран. Плаз­мен­ные тех­но­ло­гии по­зво­ля­ют соз­да­вать спец. мед. ма­те­риа­лы.

Физика низкотемпературной плазмы | Плазменная обработка и наука об обработке | The National Academy Press

Страница 30 Делиться Цитировать

Рекомендуемое цитирование: «Физика низкотемпературной плазмы». Национальный исследовательский совет. 1995. Плазменная обработка и технология обработки . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. дои: 10.17226/9854.

×

Сохранить

Отменить

Глава 8

Физика низкотемпературной плазмы

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Плазменная обработка, несомненно, будет играть все более важную роль в производстве, особенно в полупроводниковой промышленности и производстве дисплеев. . Наука о низкотемпературной частично ионизированной плазме, от которой зависит эта технология, уходит своими корнями в область газовой электроники — дуги и тлеющие разряды, переключатели и диоды. Огромный интерес к физике высокотемпературной плазмы с 19 в.50-е годы породили развитие экспериментальных и теоретических методов, о которых и не мечтали во времена Таунсенда и Фарадея. Лишь в редких случаях, как в случае источников электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), эти разработки применялись к низкотемпературной плазме. Достижения в области анализа и вычислительных методов, а также знания о волнах и нестабильностях, возникающие в результате исследований в области термоядерного синтеза и космической физики, теперь могут быть использованы для решения проблемы частично ионизированной многокомпонентной плазмы. Эти исследования будут отличаться от работы по моделированию, описанной в главе 2, тем, что они касаются отдельных проблем, а не всего конечного продукта. Открытие новых физических явлений и оценка важности ранее известных эффектов послужат входными данными для исследований по моделированию. Ниже приведены несколько примеров интересных тем такого рода, подходящих как для теоретических, так и для экспериментальных исследований.

Диффузия в слабых магнитных полях. В газовых разрядах с магнитным полем от 10 до 1000 Гс тепловые электроны являются магнитным полем, а ионы и первичные электроны — нет. Амбиполярная диффузия плазмы поперек магнитного поля в этом случае не подчиняется стандартным формулам. Когда ларморовы радиусы ионов и первичных электронов порядка радиуса разряда, проблема особенно сложна. Нужна простая трактовка, пусть даже приближенная, не требующая полномасштабного расчета для каждого набора параметров.

Контуры электрического потенциала в конечном цилиндре. Когда замагниченная плазма ограничена как в радиальном, так и в осевом направлении, эквипотенциальные контуры должны иметь седловидную форму с потенциальным минимумом по диаметру и потенциальным максимумом вдоль оси. На практике, однако, измерения обычно показывают потенциальный холм в обоих направлениях, указывая на то, что работает какой-то другой механизм. Этим механизмом могут быть высокочастотные волны или низкочастотные дрейфовые волны, которые могут перераспределять электроны не так, как классические столкновения.

Стохастический нагрев в ВЧ оболочках. В высокочастотной плазме падение потенциала на пристеночных оболочках может иметь большие колебания на высокочастотной частоте. Электроны, входящие в оболочку и отражающиеся от нее, могут приобретать или терять энергию в зависимости от радиочастотной фазы в момент их входа. Этот эффект приводит к уширению энергетического распределения электронов, что влияет на образование различных видов молекул в плазме.

Ионная температура в разрядах низкого давления. Разброс энергий ионов важен для анизотропного травления полупроводников. Обычно температура ионов определяется выигрышем энергии от столкновений с электронами и потерями энергии от столкновений с нейтральными атомами. Однако в разрядах низкого давления в несколько мТорр или ниже распределение ионов обычно более широкое. Этот прирост энергии может быть вызван амбиполярными электрическими полями, полями оболочки, нестабильностью плазмы или каким-то механизмом, который еще предстоит открыть.

Международное сообщество низкотемпературной плазмы

ILTPC — это неформальная организация, в состав которой входят исследователи из разных стран в области низкотемпературной плазмы (LTP). ILTPC, созданный в апреле 2020 года, призван стать форумом для общения, сотрудничества и бесед для сообщества LTP. Примерно раз в месяц ILTPC распространяет среди своих членов бюллетень с материалами, представляющими интерес для сообщества, в том числе:

• Изображения, которые волнуют и вдохновляют
• Приглашенные перспективы LTP
• Лидеры сообщества LTP
• Объявления общего интереса
• Встречи и онлайн-семинары
• Общественные инициативы и специальные вопросы
• Основные результаты исследований и прорывы
• Новые ресурсы (например, учебные или программные документы, дорожные карты, книги и т. д.)
• Карьерные возможности
• Возможности для совместной работы

Подключиться к ILTPC (и получать сообщения).

Пожалуйста, отправьте материалы для следующего выпуска Информационного бюллетеня по адресу [email protected] до 7 апреля 2023 г. . В частности, отправьте, используя этот шаблон, отчеты об исследованиях и достижениях. Выделение состоит из изображения и до 200 слов текста. Тема может быть любой: недавно опубликованная работа, новый неопубликованный результат, предлагаемая новая область исследований, успехи компании, все, что связано с долгосрочной перспективой. Пожалуйста, смотрите основные моменты исследований и прорывы для примеров.

Для получения дополнительной информации обращайтесь по адресу: [email protected].

Питер Брюггеман, Миннесотский университет Марк Дж. Кушнер, Мичиганский университет

Информационный бюллетень ILTPC

• Выпуск 30, 1 марта 2023 г.
• Выпуск 29, 25 января 2023 г.