Simulação de descargas radiofrequência em misturas gasosas N2-H2 usadas para o processamento de superfícies

Abstract

A utilização dos processos assistidos por plasma representa, atualmente, um mercado em constante crescimento (de vários milhões de euros) e alvo de intensas pesquisas, das quais têm resultado diversas aplicações tecnológicas, como por exemplo no tratamento de superfícies. Atualmente, o estudo das descargas em plasmas tem-se desenvolvido, tanto no aperfeiçoamento de modelos e técnicas computacionais, como no estudo de descargas em novos gases para descrever os processos físicos e químicos essenciais e determinar os regimes ótimos de funcionamento para tecnologias específicas. Este trabalho apresenta a simulação de uma descarga radiofrequência em mistura gasosa nitrogénio-hidrogénio produzida num reator cilíndrico de elétrodos paralelos de acoplamento capacitivo. O estudo da descarga é feito com recurso a um modelo fluido bidimensional que descreve a dinâmica das partículas carregadas, acoplado de forma auto-consistente a um modelo colisional-radiativo homogéneo da cinética vibracional e atómica da mistura do nitrogénio-hidrogénio, para frequências de excitação de 13.56MHz, pressões do gás entre 0.15 e 1.14 Torr e tensões radiofrequência aplicadas entre 100 e 400 V. A resolução acoplada destes dois módulos permite-nos obter resultados para o potencial DC de auto-polarização da descarga, para a distribuição espacio-temporal das densidades eletrónicas e das populações das principais espécies resultantes (tais como excitação vibracional, molecular e atómica), para o grau de dissociação, assim como para algumas intensidades de emissão de transições moleculares. Também é feito o estudo dos diversos canais que presidem à criação e destruição das varias espécies, assim como o estudo da sensibilidade de alguns parâmetros do plasma a alguns fatores como a recombinação na parede das espécies atómicas e vibracionais, coeficiente de emissão secundária de eletrões e capacidade do condensador de bloqueio.

The use of plasma assisted processes, currently represents a market of several million euros, in constant growth and subject to intense research, efforts resulting in different technological applications, more specifically, on new surface treatments. Nowadays, the study of plasma discharges has developed, both in the improvement of models and computational techniques, as in the new study of discharges in gases to describe the essential physical and chemical processes and define the reactors ideal operating point for specific applications. This work presents, the simulation of an radiofrequency discharge in nitrogen-hydrogen gas mixture produced within a cylindrical parallel-plate reactor. The study of the discharge is made using a two-dimensional fluid model that describes the dynamics of charged particles, coupled in a self-consistent way to a homogeneous collisional-radiative model of the vibrational kinetics, atomic and molecular nitrogen, with excitation frequency at 13.56MHz, gas pressures between 0.15 and 1.14 Torr and applied radiofrequency voltages between 100 and 400 V. The coupled resolution of these two modules allows us to obtain results for the DC potential of the self-bias of the discharge, for the spatial and temporal distribution of electronic densities and of the resulting population of the main species (such as vibrational, molecular and atomic excitation), to their degree of dissociation, as well as molecular transitions. It was also possible to study the channels governing the creation and destruction of various species, as well as the sensitivity of several plasma discharges parameters electron density and and mean energy, self bias voltage to some factors like volume and wall kinetics of vibrational and atomic species, electron secondary emission and capacitance of blocking capacitor.