Simulação de descargas radiofrequência em misturas gasosas
N2-H2 usadas para o processamento de superfícies
Simulation of radiofrequency disharges in gas mixtures of N2-H2
to processing of surface
Ricardo Jorge Estrada Morais Gonçalves de Sousa
Orientadores:
Professor Doutor Luís Silvino Alves Marques
Departamento de Física da Universidade do Minho
Professora Doutora Marta Maria Duarte Ramos
Departamento de Física da Universidade do Minho
Mestrado em Física de Materiais Avançados
Resumo
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 nitrogéniohidrogénio 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 autopolarização 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
várias 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.
Abstract
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 twodimensional 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 selfbias 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 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.