基于光学诊断对大气压微波等离子体去除全氟化物气体的应用基础研究

Perfluorinated Compounds (PFCs) gas is one category of main greenhouse gases, its global warming potential (GWP) is much higher and its lifetime at atmosphere is much longer compared to other greenhouse gases. In the semiconductor industry, 60-70% of PFCs are discharged into environment in plasma etching and the coefficient of utilization of PFCs in plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is lower than 40% and the remainder is emitted. Plasma abatement technologies are attractive due to its high destruction and removal efficiency (DRE) and energy efficiency compared with other techniques. Especially, the emergence of the atmospheric-pressure microwave induced plasma shows great potential for this application. In this project, we map it out to investigate the fundamental issues with respect to the interactions between plasma and gas flow and the electromagnetic modes and plasma as well as the cooperative actions of the dual frequency components from two power supplies. Accordingly, we propose the employment of inverse vortex gas flow, hybrid operating mode, and dual frequency driving to enlarge the active region and the dissociation rate of the molecule of PFCs, thereby the DRE is greatly enhanced. Meantime, we are planning to employ the optical diagnosis to investigate the relevant physical mechanisms.

全氟化物（PFCs）是主要的温室气体之一，它的全球变暖潜力指数值（GWP100）和在大气中存在的时间远远高于其他的温室气体。在半导体工业中，干刻蚀工艺中有60-70%的PFCs气体随尾气排出，等离子体化学气相沉积过程中PFCs的利用率也低于40%，剩余的未曾利用的气体保留在尾气中被排出。而等离子体分解PFCs的脱除工艺作为一种新型的和有效的优先工艺具有较高的脱除效率和能量利用率，其中大气压微波等离子体技术相对于其他技术具有独到的优势。在本项目中通过对大气压微波诱导等离子体和气流场相互作用、等离子体的电磁场激发模式、以及双频驱动协同作用等物理问题的研究，提出了逆向涡旋气流、等离子体混合工作模式以及双频驱动的方案来合理设计微波等离子体源，通过增加等离子体作用区域以及提高全氟化物分子的分解率，大大提高在单位消耗功率下的全氟化物气体的去除效率，进而通过光学诊断来揭示与之相关的物理机制。

全氟化物（PFCs）是主要的温室气体之一，它的全球变暖潜力指数值（GWP100）和在大气中存在的时间远远高于其他的温室气体。在半导体工业中，干刻蚀工艺中有60-70%的PFCs气体随尾气排除，等离子体化学气相沉积过程中PFCs的利用率也低于40%，剩余的未曾利用的气体保留在尾气中被排除。而等离子体分解PFCs的脱除工艺作为一种新型的和有效的优先工艺具有较高的脱除效率和能量利用率，其中大气压微波等离子体技术相对于其他技术具有独到的优势。本项目研究了波导基大功率微波等离子体炬的产生和稳定性控制等问题，我们采用波导内单模驻波激发以及正向涡旋气流作用的措施来增强放电管内的约化电场强度及其空间分布，并使其工作于电磁激发的混合模式，有效地控制等离子体的放电稳定性以及等离子体炬的形态，并获得了较大体积的等离子体及其后放电余辉作用区。同时对分别以氮气和氧气为载气时产生的等离子体炬的特性进行了光谱学诊断，对其等离子体激发区的电子密度和气体温度的变化规律以及等离子体余辉区的气体温度的空间分布做了测量，并对等离子体炬内发生的与放电机制有关的物理化学过程给予了讨论。另外，利用大气压微波等离子体炬可以产生稳定性得到控制的适合于气相化学反应的等离子体环境，开展了对全氟化物气体（PFCs）中最典型的两种温室气体CF4和SF6的降解和转化的研究，借助于可见光范围的发射光谱仪对其物理过程进行了诊断，利用傅立叶红外吸收光谱（FTIR）定量测量了去除率DRE随着微波功率、气体流量、混合浓度、反应室的结构等外部控制参数的变化规律。实验表明通过增加微波功率和优化化学反应缓冲室的结构参数和工作条件是可以针对一些实际工况下CF4和SF6的排放进行有效的控制，例如，采用分布式管线末端处理方式，大气压微波等离子体炬应用于降解半导体工业排放的CF4等尾气是一种具有应用前景的技术，另外，基于大气压微波等离子体技术的车载移动式处理设备，对降解和处理电力工业排放的SF6给出了一种解决方案。