ISSN:
1618-2650
Source:
Springer Online Journal Archives 1860-2000
Topics:
Chemistry and Pharmacology
Description / Table of Contents:
Summary The large development of industrial plasma techniques is due to new understanding of chemical concepts of reactive gases excited by electron impact. In this way, it is possible to obtain larger operational facilities of the processes, i.e.: the elimination of wet treatment and flexibility of tools. Therefore, many engineers agree on the widespread application of these technologies. The numerous advantages of plasma techniques are realized by two different concepts according to the equilibrium of the reactive systems (atmospheric system with gas temperature = electronic temperature) or non-equilibrium systems (rotational temperature = translational temperature = 500° K — vibrational temperature = 500° K — vibrational temperature 〉3,100° K — electronic temperature 〉 1 to 2 eV). For the high pressure torch, both the thermal and chemical properties of the plasma mixture are employed at the same moment which lead to high temperature reactions, high kinetic rates, and short residence times. These tools are used today for extractive metallurgy, oil treatment, plasma spray, optical fibers, and production of high purity materials. We have chosen to present them through the example of silicon refining by a RF plasma torch. The multiphase extractive process controls the efficiency of the treatment. At the liquid-plasma interface the evaporation of the impurities is measured by emission spectroscopy with an optical fiber (K, Na, Mg). The working parameters of the system [plasma gas composition (O2, H2, Ar), Rf-power source, speed of the treatment] can be adjusted by such measures. The photovoltaic efficiency of the materials has been determined in correlation with the spectroscopic measurements. For the low pressure plasma reactor, the chemical properties are studied by measuring the vibrational level of the excited molecular species. For instance, reactive levels of vibrational states increase the kinetic rate by a factor of 104 to 106 with a gas temperature approaching room temperature. In this way, a large number of industrial applications has been developed with a glow discharge reactor and a corona discharge reactor essentially for surface treatment such as etching, grafting, polymerization, nitriding, deposition etc. We have chosen to explain the nitriding process of metals and silicon in order to point out the role of vibrational species and particularly, those of the NH molecules. These results are correlated with the evolution of the hardness of the material and the conversion rate of the reactive molecule.
Notes:
Zusammenfassung Die starke Entwicklung industrieller Plasmaverfahren ist auf neue chemische Konzepte der Anregung von reaktiven Gasen durch Elektronenstöße zurückzuführen. So wird es möglich, die Durchführung des Prozesses besser zu steuern, d. h. eine nasse Behandlung zu vermeiden und flexibler zu sein. Entsprechend bevorzugen viele Ingenieure diese Verfahren. Die Vorteile der Plasmaverfahren kann man in verschiedenen Systemen realisieren, nämlich in reaktiven Systemen im thermischen Gleichgewicht (atmosphärischer Druck, wobei Gastemperatur und Elektronentemperatur gleich sind) oder in Systemen, die nicht im thermischen Gleichgewicht sind (Rotationstemperatur ≠ Elektronentemperatur oder Rotationstemperatur = Translationstemperatur = 500 K, Vibrationstemperatur 〉3100 K, Elektronentemperatur 〉1–2 eV). Im Falle eines bei hohem Druck betriebenen Plasmabrenners bewerkstelligen die thermischen und die chemischen Eigenschaften des Plasmas eine Reaktion bei hoher Temperatur, hohe Reaktionskonstanten und kurze Aufenthaltszeiten. Diese Verfahren werden heute eingesetzt in der extraktiven Metallurgie, in der Behandlung von Ölen, in der Plasmaspritztechnik und für die Herstellung von optischen Fasern und Reinststoffen. Sie werden in diesem Beitrag anhand der Darstellung von hochreinem Silicium in einem Hochfrequenzplasmareaktor besprochen. Die Ausbeute der Behandlung wird über einen vielphasigen Extraktionsprozeß gesteuert. Die Verflüchtigung von Verunreinigungen (K, Mg, Na) im Grenzbereich zwischen Flüssigphase und Plasma wird mit Hilfe von optischen Fasern emissionsspektrometrisch gemessen. Die Betriebsparameter des Systems und Zusammensetzung des Plasmagases (O2, H2, Ar), Hochfrequenzleistung, Reaktionsgeschwindigkeit werden hierüber gesteuert. Die photovoltaischen Eigenschaften des hergestellten Siliciums wurden untersucht und ihre Korrelation mit den spektroskopisch gemessenen Größen überprüft. Im Fall von Plasmareaktoren bei niedrigem Druck sind die chemischen Eigenschaften von den Vibrationsniveaus der angeregten Moleküle abhängig. Zum Beispiel nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Gastemperatur, die in der Nähe der Umgebungstemperatur liegt, infolge reaktiver Vibrationsniveaus um einen Faktor 104 bis 106 zu. Zahlreiche industrielle Anwendungen von Glimmentladungen oder Coronarentladungen wurden dementsprechend entwickelt, hauptsächlich für Oberflächenbehandlungen wie Ätzen, Implantieren, Polymerisieren, Nitrieren oder Beschichten. Anhand der Nitrierung von Metallen und von Silicium wird der Einfluß des Vibrationsniveaus, insbesondere von NH-Molekülen besprochen. Die Ergebnisse stehen in Zusammenhang mit der Härte des Materials sowie der Reaktionsrate des reaktiven Moleküls.
Type of Medium:
Electronic Resource
URL:
http://dx.doi.org/10.1007/BF00474111
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