N₂-H₂ capacitively coupled radio-frequency discharges at low pressure. Part II. Modelling results: the relevance of plasma-surface interaction.

Décharges plasma radiofréquences capacitivement couplées dans N₂-H₂ à basse pression. Partie II. Résultats de modélisation : l’importance des interactions plasma-surface.

Miguel Jiménez-Redondo (1) , Audrey Chatain (2) , Olivier Guaitella (3) , Guy Cernogora (2) , Nathalie Carrasco (2) , Luis Lemos Alves (4) , Luis Silvino Alves Marques (5)

1 IEM - Instituto de Estructura de la Materia
2 PLANETO - LATMOS
3 LPP - Laboratoire de Physique des Plasmas
4 IPFN - Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear [Lisboa]
5 Departamento de Fisica [Braga]

In this work, we present the results of simulations carried out for N₂-H₂ capacitively coupled radio-frequency discharges, running at low pressure (0.3–0.9 mbar), low power (5–20 W), and for amounts of H₂ up to 5%. Simulations are performed using a hybrid code that couples a two-dimensional time-dependent fluid module, describing the dynamics of the charged particles in the discharge, to a zero-dimensional kinetic module, that solves the Boltzmann equation and describes the production and destruction of neutral species. The model accounts for the production of several vibrationally and electronic excited states, and contains a detailed surface chemistry that includes recombination processes and the production of NH_x molecules. The results obtained highlight the relevance of the interactions between plasma and surface, given the role of the secondary electron emission in the electrical parameters of the discharge and the critical importance of the surface production of ammonia to the neutral and ionic chemistry of the discharge.

Dans cet article, nous présentons les résultats de simulations réalisées pour une décharge plasma radiofréquence en N₂-H₂, fonctionnant à basse pression (0,3-0,9 mbar), basse puissance (5-20 W), et pour des quantités de H₂ jusqu’à 5%. Les simulations sont réalisées à l’aide un code hybride qui couple un module fluide à deux dimensions et dépendant du temps – décrivant la dynamique des particules chargées dans la décharge – à un module cinétique à zéro dimension – qui résout l’équation de Boltzmann et décrit la production et la perte des espèces neutres. Le modèle tient compte de la production de plusieurs états vibrationnellement et électroniquement excités, et contient une chimie de surface détaillée qui inclut les processus de recombinaison et de production des molécules NH_x. Les résultats obtenus mettent en avant l’importance des interactions entre le plasma et la surface. Ceci est notamment observé par la forte influence de l’émission d’électrons secondaires sur les paramètres électriques de la décharge. Nous notons également l’importance critique de la production de surface de l’ammoniac sur la chimie des ions et des neutres de la décharge.

Mots clés: cold plasma; CCP discharge; N2 H2 mixture; modelling; plasma surface interactions

Domaines: Physique des plasmas [physics.plasm-ph]

Miguel Jiménez-Redondo, Audrey Chatain, Olivier Guaitella, Guy Cernogora, Nathalie Carrasco, et al.. N₂-H₂ capacitively coupled radio-frequency discharges at low pressure. Part II. Modelling results: the relevance of plasma-surface interaction.. Plasma Sources Science and Technology, 2020, 29 (8), pp.085023. ⟨10.1088/1361-6595/ab9b1b⟩. ⟨insu-02867254⟩