Simulation of Low-Pressure Inductively Coupled Plasma with Displacement Potential and Gas Flow

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

The dependence of the parameters of low-pressure inductively coupled argon plasma (13.3–113 Pa) and field frequency of 13.5٦ MHz at the coil on the potential applied to the electrode and on gas flow rate up to 4000 sccm is numerically studied. The model is developed in the COMSOL Multiphysics environment and verified with experimental data, as well as over the Knudsen number. As a result of a numerical experiment, it is revealed as follows: when the displacement potential increases linearly, the density of charged particles increases exponentially and a slight increase in the electron temperature is observed; when the gas flow rate increases linearly, the density of charged particles increases exponentially, the density of excited states has an extremum at 2000 sccm, and the gas and electron temperature increases linearly.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

A. Shemakhin

Kazan (Volga Region) Federal University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: shemakhin@gmail.com
Ресей, Kazan

Әдебиет тізімі

  1. Абдуллин И., Желтухин Б., Катанов Н. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях: Теория и практика применения. 2000.
  2. Ventzek P.L., Sommerer T.J., Hoekstra R.J., Kushner M.J. // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 63. P. 605.
  3. Li H., Xu T., Chen J., Zhou H., Liu H. // Appl. Surface Sci. 2004. V. 227. P. 364.
  4. Kosku N., Murakami H., Higashi S., Miyazaki S. // Appl. Surface Sci. 2005. V. 244. P. 39.
  5. Wen D.-Q., Liu W., Gao F., Lieberman M., Wang Y.-N. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 045009.
  6. Kim K.-Y., Kim K.-H., Moon J.-H., Chung C.-W. // Phys. Plasmas. 2020. V. 27. P. 093504.
  7. Yue H., Jian S., Zeyu H., Zhang G., Chunsheng R. // Plasma Sci. Technol. 2017. V. 20. P. 014005.
  8. Tinck S., Boullart W., Bogaerts A. // J. Phys. D: Applied Phys. 2008. V. 41. P. 065207. Zhang Y.-R., Zhao Z.-Z., Xue C., Gao F., Wang Y.-N. // J. Phys. D: Applied Phys. 2019. V. 52. P. 295204.
  9. Reed T.B. // J. Appl. Phys. 1961. V. 32. P. 821.
  10. Mostaghimi J., Proulx P., Boulos M.I. // Numerical Heat Transfer. 1985. V. 8. P. 187.
  11. Romig M.F. Steady State Solutions of the Radiofrequency Discharge with Flow // The Physics of Fluids. 1960. V. 3. № 1. C. 129–133.
  12. Racka-Szmidt K., Stonio B., Zelazko J., Filipiak M., Sochacki M. // Materials. 2021. V. 15. P. 123.
  13. Zheng Y., Ye H., Liu J., Wei J., Chen L., Li C. // Materials Lett. 2019. V. 253. P. 276.
  14. Kumabe T., Ando Y., Watanabe H., Deki M., Tanaka A., Nitta S., Honda Y., Amano H. // Japanese J. Appl. Phys. 2021. V. 60. SBBD03.
  15. Dineen M., Loveday M., Goodyear A., Cooke M., Newton A., Baclet S., Ward C., Hemakumara T. // Advanced Etch Technology for Nanopatterning IX. V. 11329. SPIE. 2020. P. 54.
  16. Fairushin I.I., Shemakhin A.Y. // High Energy Chemistry. 2023. V. 57. No. 41.
  17. Jucius D., Grigaliunas V., Juodenas M., Guobiene A., Lazauskas A. // Optical Materials. 2023. V. 136. P. 113437.
  18. Nozaki M., Terashima D., Yoshigoe A., Hosoi T., Shimura T., Watanabe H. //Japanese J. Appl. Phys. 2020. V. 59. SMMA07.
  19. Puranto P., Hamdana G., Pohlenz F., Langfahl-Klabes J., Daul L., Li Z., Wasisto H. S., Peiner E., Brand U. // J. Phys.: Confer. Ser. V. 1319. IOP Publishing. 2019. P. 012008.
  20. Yamada S., Takeda K., Toguchi M., Sakurai H., Nakamura T., Suda J., Kachi T., Sato T. // Appl. Phys. Express. 2020. V. 13. P. 106505.
  21. Sugaya T., Yoon D., Yamazaki H., Nakanishi K., Sekiguchi T., Shoji S. // J. Microelectromechanical Systems. 2019. V. 29. P. 62.
  22. Seok B., Kim S., Jun D., Jang J. // Electronics Lett. 2019. V. 55. P. 660.
  23. Shemakhin A.Y., Zheltukhin V., Khubatkhuzin A. // J. Phys.: Confer. Ser. V. 774. IOP Publishing. 2016. P. 012167.
  24. Shemakhin A.Y., Zheltukhin V. // Mathematica Montisnigri. 2017. V. 39. P. 126.
  25. Terentev T., Shemakhin A.Y., Samsonova E., Zheltukhin V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2022. V. 31. P. 094005.
  26. Zheltukhin V., Terentev T., Shemakhin A., Samsonova E. // J. Phys.: Confer. Ser. V. 1870. IOP Publishing. 2021. P. 012018.
  27. Zheltukhin V.S., Shemakhin A.Y., Terentev T.N., Samsonova E.S. // Mesh Methods for Boundary-Value Problems and Applications: 13th International Conference, Kazan, Russia, October 20–25, 2020. Springer. 2021. P. 587.
  28. Zheltukhin V., Shemakhin A.Y. // Mathematical models and computer simulations. 2014. V. 6. P. 101.
  29. Lindner H., Murtazin A., Groh S., Niemax K., Bogaerts A. // Analytical chemistry. 2011. V. 83. P. 9260.
  30. Bernardi D., Colombo V., Ghedini E., Mentrelli A. // Pure and applied chemistry. 2005. V. 77. P. 359.
  31. Ferreira C., Loureiro J., Ricard A. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57. P. 82.
  32. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Наука, 1967.
  33. Шемахин А.Ю. // Химия высоких энергий. 2021. T. 58. С. 61.
  34. PHELPS database. http://www.lxcat.laplace.univ-tlse.fr, June 4, 2013.
  35. COMSOL AB. Stockholm. Sweden. COMSOL Multiphysics License No. 9602172. Ver. 5.6. htttp://www.comsol.com

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
2. Fig. 1. Schematic of the setup, boundary markings and geometry of the computational domain of the two-dimensional axisymmetric model. The dimensions are given in mm, argon supply is from the lower end of the tube, constant pressure is set at the upper end (boundary condition of gas pumping). The violet lines schematically depict a plasma clot

Жүктеу (136KB)
3. Fig. 2. Block diagram of the numerical model. The basic equations are given in blocks, each block takes a certain set of variables as input and outputs the results of calculations in the form of the following variables. The arrows indicate transitions from one block of equations to another

Жүктеу (234KB)
4. Fig. 3. Distribution area (a), distribution of the potential field strength Ep,z along the discharge tube at different values of the bias potential φ at the upper boundary (b)

Жүктеу (110KB)
5. Fig. 4. Distribution region (a), dependence of the electron temperature at the discharge tube outlet on the bias potential φ at the upper boundary (b)

Жүктеу (221KB)
6. Fig. 5. Spatial distribution of mean electron energy at gas flow rate G = 2000 sccm (a), G = 3000 sccm (b), G = 8000 sccm (c)

Жүктеу (220KB)
7. Fig. 6. Debye number to discharge chamber diameter ratio at gas flow rate G = 2000 sccm (a), G = 3000 sccm (b), G = 8000 sccm (c)

Жүктеу (187KB)
8. Fig. 7. Knudsen number Kn in the flowless regime at p = 13 Pa (a), p = 26 Pa (b), p = 53 Pa (c)

Жүктеу (177KB)
9. Fig. 8. Knudsen number Kn at p = 9.65 Pa (a), p = 53 Pa (b) and a flow rate of 8000 sccm

Жүктеу (120KB)
10. Fig. 9. Spatial distribution of pressure p (a), velocity modulus v (b) and gas temperature (c) at gas flow rate G = 2000 sccm

Жүктеу (204KB)
11. Fig. 10. Distribution region (a); dependence of the concentration of electrons, excited states and ions at the discharge tube outlet ne,m,i:outlet on the gas flow rate G (b). The graphs of the concentration of electrons ne and ions ni are superimposed on each other, so that the dependence of ni is poorly visible in the figure; the temperature of electrons and the temperature of neutral particles as a function of the gas flow rate G (c)

Жүктеу (200KB)
12. Fig. 11. Distribution area (a); dependence of the concentrations of electrons nez (b), excited states nmz (c) and neutral argon atoms niz (d) along the discharge tube (a) on the gas flow rate G

Жүктеу (241KB)

© Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».