Если в плазму инертного газа добавить хладон (CF4), при выполнении условий уравнения непрерывности, будет протекать процесс образования и исчезновения ХАЧ.
В плазме происходят процессы диссоциации и ионизации молекул, приводящих к образованию ХАЧ:
(38)
(39)
(40)
Более вероятны реакции (39), (40), как имеющие меньшие энергии активации. Энергетически выгоднее реакция (40), так как у фтора больше сродство к электрону. Однако реакция (40) имеет продолжение: .
В итоге, в плазме происходит образование свободных радикалов фтора (F•) и фторуглерода (C ). Эти частицы являются основными ХАЧ в плазме CF4.
Процесс рекомбинации, при котором происходит исчезновение ХАЧ, протекает при реакции:
(гетерогенная реакция)
здесь П – поверхность твердого тела.
(гомогенная реакция)
здесь M – другая частица плазмы (обычно CF4).
Кроме этого в плазме протекают реакции с образованием свободных радикалов разной валентности:
Доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала
Условия протекания гетерогенной химической реакции с учетом ХАЧ:
- обеспечение достаточной концентрации ХАЧ;
- непрерывная доставка ХАЧ к поверхности;
- непрерывный отвод продуктов реакции от поверхности.
При характерном размере реактора длины свободного пробега молекул ХАЧ – доставка посредством молекулярного потока. При
посредством диффузионного потока.
(41)
где - константа скорости химической реакции.
Диффузионный поток ХАЧ к поверхности
- (42)
где ‑ концентрация ХАЧ в объеме реактора за пределами
,
‑ концентрация ХАЧ у поверхности обрабатываемого материала,
‑ коэффициент диффузии ХАЧ,
- толщина стационарного диффузионного слоя.
Сравнив (41) и (42) получим:
, где δ CDC = β, ‑ коэффициент массопереноса,
Тогда , где
- приведенная константа скорости химической реакции.
Области протекания химических реакций.
- диффузионное сопротивление,- сопротивление массопереносу при движении частиц (диффузии) в стационарном диффузионном слое.
- кинетическое сопротивление,- сопротивление массопереносу при движении частиц (молекулярным потоком газа)
В зависимости от соотношения диффузионного, кинетического сопротивлений, существуют две области протекания реакций (диффузионная и кинетическая).
Диффузионная область.
При
тогда
>
, а
и
Здесь - характерный размер реактора,
- длина свободного пробега молекул. Из этого следует, что скорость реакции определяется скоростью диффузии ХАЧ к поверхности – диффузионная область.
Рис. 10 Стационарно диффузионный слой.
, где NH ‑ критерий Нуссельта, а
.
Диффузионная область существует при высоких температурах и давлениях и малых скоростях газового потока. Скорость и равномерность обработки поверхности определяется величиной и распределением и зависит от
, слабо зависит от температуры и состояния поверхности и сильно зависит от скорости газового потока.
Кинетическая область.
При
тогда
, а
и
следует, что скорость реакции совпадает со скоростью её на поверхности – кинетическая область. Она существует при низких температурах или давлениях.
Скорость реакции (41) и ее равномерность сильно зависят от температуры (по закону Аррениуса) и ее распределения по поверхности, не зависят от скорости газового потока и пропорциональны концентрации активных центров на обрабатываемой поверхности.
В переходной области . скорость реакции зависит от величин
и
и определяется из