ИСТИНА

Низкотемпературная плазма на основе аргона широко используется как для исследования фундаментальных процессов, так и в технологических приложениях, где плазма используется для наноструктурирования современных материалов микроэлектроники. Возбужденные состояния Ar являются важными компонентами, определяющими свойства плазмы. Долгоживущие возбужденные состояния действуют как резервуары энергии и влияют на структуру разряда через передачу энергии другим компонентам и обрабатываемым поверхностям. Фотоны вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) диапазона, эмитируемые резонансными состояниями Ar(1s4, 1s2), могут существенно влиять на свойства обрабатываемых материалов, как положительным (стерилизация поверхностей, отверждение полимеров), так и отрицательным (повреждение диэлектриков с низкой диэлектрической постоянной) образом. Поэтому в технологическом процессе необходимо контролировать поток ВУФ фотонов на обрабатываемую в плазме поверхность, а моделирование разрядов в плазменных реакторах должно правильно предсказывать плотности возбужденных состояний Ar. Импульсные разряды рассматриваются как один из наиболее перспективных способов бездефектной обработки поверхности современных материалов в микроэлектронике. Использование импульсной плазмы является перспективным решением для технологии обработки материалов, поскольку допускает дальнейшее использование уже существующих в индустрии реакторов с незначительными изменениями. Дополнительные параметры разряда при импульсном возбуждении (длительность и частота следования импульсов) позволяют более полно контролировать потоки из плазмы на поверхность. В данной работе изучалось использование столкновительно-радиационных моделей в кинетическом моделировании высокочастотного емкостного разряда в аргоне и проводилось сравнение с экспериментальными результатами в непрерывном и импульсном разрядах. В численную модель разряда были включены различные наборы возбужденных состояний Ar: от простого случая с суммарным метастабильным и резонансным уровнями [1], к более подробной схеме с четырьмя нижними 1s уровнями и двумя эффективными более высокими уровнями [2] и до достаточно подробной схемы в [3] с 14 уровнями (4 нижних 1s-состояния и 10 2p-состояний) и различными излучательными и электронными переходами между этими состояниями. Сечения электронного возбуждения в этих разных наборах были нормализованы, чтобы соответствовать полным потерям энергии электрона в неупругих столкновениях. Эта нормализация необходима для получения правильной функции распределения электронов по энергии, особенно при использовании сечений, полученных из квантово-механических расчетов. Экспериментальные результаты [3, 4] для плотностей Ar(1s) использовались для проверки кинетических самосогласованных расчетов. Представленные сокращенные наборы возбужденных состояний Ar обеспечивают необходимую информацию о концентрации метастабильных и радиационных состояний, но при этом не слишком усложняют кинетическое моделирование. Для импульсного разряда в аргоне показана разная временная динамика плотностей метастабильных и резонансных состояний. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными по динамике возбужденных состояний Ar. Показано уменьшение потока фотонов вакуумного ультрафиолета после выключения импульса разряда и проведены оценки времени для плазменной обработки без повреждений диэлектрической пленки (SOG 2.2) в импульсном режиме разряда. На рисунке 1 показан пример расчетной динамики ВУФ-излучения. Рис. 1. Расчетная динамика ВУФ-излучения - доля от стационарного разряда показана слева по оси ординат, поток фотонов показан на правой оси ординат. Приведен суммарный поток ВУФ фотонов, а также отдельные вклады от Ar (1s4) и Ar (1s2). Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ №18-29-27001) и Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина». Литература 1. Rakhimova T. et al. Experimental and theoretical study of RF plasma at low and high frequency // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 34. P. 867. 2. Dyatko N.A., Ionikh Yu.Z., Meshchanov A.V., and Napartovich A.P. Study of the dark phase in the initial stage of the positive column formation in an argon glow discharge // Plasma Physics Reports. 2005. V. 31. P. 871. 3. Kovalev A.S., Kurchikov K.A., Proshina O.V., Rakhimova T.V., Vasilieva A.N., Voloshin D.G. Determination of the excited argon states densities in high-frequency capacitive discharge // Physics of Plasmas. 2019. V. 26. P. 123501. 4. Zhu X., Cheng Z., Pu Y., Czarnetzki U. Escape factors for Paschen 2p–1s emission lines in low-temperature Ar, Kr, and Xe plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2016. V. 49. P. 225204.