ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Проект осуществляется в рамках фундаментальной научной проблемы исследования низкотемпературной высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления (13.3-133 Па), используемой для обработки материалов различной физической природы с целью придания им качественно новых свойств, в том числе наномодификации поверхности. Целью проекта является уточнение и исследование математических моделей для нелинейных процессов, происходящих в ВЧ-плазме пониженного давления и процессов взаимодействия с образцом. Рассмотрена модель струйного высокочастотного индукционного разряда пониженного давления в аргоне при наличии в потоке образца. Модель усовершенствована путем учета немаксвелловского вида функции распределения электронов по энергиям, взаимодействия плазменного потока с ВЧ-электромагнитным полем при подаче потенциала смещения, влияния скорости плазменной струи на распределение электромагнитного поля, и дополнена моделями слоя положительного заряда и двойного слоя, моделью напыления металла на диэлектрическую подложку на примере нанопокрытия меди на SiO2. Основные результаты работы: 1. Получены результаты экспериментальных исследований основных характеристик плазмы (температура электронов, концентрация электронов) путем оптической спектрометрии и зондовых методов. С помощью методов оптической спектроскопии и зондовой диагностики получены значения температуры и концентрации электронов в разрядной камере ВЧ-плазменной установки в зависимости от давления несущего газа и мощности разряда. Источником плазмы является высокочастотный индукционный разряд в аргоне с частотой генератора 13.56 МГц. Значение давления внутри разрядной камеры, расход газа и мощность генератора задавались в диапазонах 43-47,3 Па, 30-40 sccm, 41-81 Вт, соответственно. 2. Разработаны численные методы расчета характеристик слоя положительного заряда и двойного слоя у поверхности образца; методы сопряжения разномасштабных моделей: струи ВЧ-плазмы пониженного давления, слоя положительного заряда, двойного слоя у поверхности образца, молекулярно-динамической модели процесса напыления. Разработан гибридный численный метод решения задачи обтекания образца струёй разреженной плазмы высокочастотного индукционного разряда пониженного давления, который включает в себя: метод прямого статистического моделирования для расчета потока нейтральных частиц, методы конечных объемов, конечных элементов и конечных разностей дискретизующих уравнения неразрывности заряженных частиц в областях разряда в разрядной камере, в области струи и в области слоя положительного заряда с двойным слоем, соответственно. 3. Получены результаты расчетов электродинамических и газодинамических параметров плазмы с учетом приложенного потенциала смещения и продува газа (напряженностей электромагнитного поля, потенциальной составляющей поля, температуры и давления несущего газа, концентрации электронов и ионов, электронной температуры, концентрации метастабилей) при наличии в потоке образца; Проведен анализ пространственных распределений напряженностей электромагнитного поля, потенциальной составляющей поля, температуры и давления несущего газа, концентрации электронов и ионов, электронной температуры, концентрации метастабилей при наличии в потоке образца и зависимости этих характеристик от давления и расхода газа, мощности, подаваемой на индуктор. 4. Получены результаты расчета потоков и энергии заряженных частиц, поступающих на поверхность образца. Анализ проведенных расчетов показал, что распределения характеристик СПЗ устанавливаются периодическими за 10 периодов колебаний поля, это говорит о том, что сформировался слой положительного заряда. Устанавливается постоянная напряженнность электрического поля. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных по энергии ионов и плотности ионного тока на поверхность образца для мощности разряда 1 и 2 кВт при давлении 53,2 Па и для мощности 1 кВт по давлению от 26,6 до 133 Па. 5. Получены результаты молекулярно-динамического моделирования наноструктур меди на поверхности образца из оксида кремния. По результатам моделирования получена скорость напыления покрытия (Cu) на диэлектрик (SiO2) и толщина образованной медной наноплёнки при пониженном давлении 13,3-26,6 Па. Моделирование выполнялось с использованием программного пакета LAMMPS. По расчетным данным можно сделать вывод, что для увеличения толщины пленки наносимых с помощью ВЧИ-разряда пониженнго в рассмотренном диапазоне давлений целесообразно увеличивать время напыления. 6. Разработаны рекомендации по использованию потенциала смещения для повышения эффективности процесса модификации поверхностей обрабатываемых материалов. Анализ результатов вычислений показал, что при увеличении потенциала смещения в 1,3 раза, концентрация ионов у образца увеличивается в среднем в 1,23 раза при расходе G=0.04 г/с и мощности разряда 2 кВт по сравнению с отсутствием подачи потенциала смещения. То есть увеличение потенциала смещения оказывает влияние на показатели потока ионов у поверхности образца.