Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Приборно-реактроные среды энерго- и массо-обмена, частотно-спектральные требования к электротехнологическим комплексам 29
1.1. Постановка задачи 29
1.2. Низкотемпературная плазма - активатор физико - химических процессов 38
1.3. Особенности основных плазмообразующих газов 40
1.4. Активации процессов в неравновесной плазме 44
1.5. Повышение технологической эффективности низкотемпературной плазмы при использовании электромагнитных колебаний с различными частотно-спектральными характеристиками 54
1.6. Энергетические воздействия на низкотемпературную плазму детерминированного многочастотного колебания
типа меандр 62
Выводы 69
ГЛАВА 2 Обобщенный электротехнологический процесс (модельные представления) 74
2.1. Эквивалентные схемы замещения разряда 75
2.1.1. Трансформаторная электрическая эквивалентная схема замещения индукционного разряда 75
2.1.2. Электрическая эквивалентная схема замещения емкостного разряда 79
2.2. Обобщенное представление реакторных объемов любой конфигурации методом цепных аналогий 83
2.3. Аналитическая интерпретация модели обобщенного электронно-технологического процесса как части электротехнологического комплекса 97
Выводы 116
ГЛАВА 3 ВЧ источники питания электротехнологических комплексов и их элементная база 119
3.1. Источники питания на основе традиционных ламповых генераторов 119
3.2. Полигармонические ВЧ источники питания 129
3.3. Схемные методы оптимизации параметров мощных генераторов 140
3.4. Работа генератора в режимах многочастотной детерминированной генерации и автоколебательного шумообразования 147
3.5. Приборное обеспечение плазменных высокочастотных электротехнологий 156
3.5.1 Мощные приборы с сеточным управлением для промышленных целей. Анализ тенденций развития 159
3.5.2. Сетевые магнетроны. Анализ тенденций развития .174
ГЛАВА 4 Создание и исследование оптимальных режимов работы реакторных систем плазмотермической обработки изделий электронного приборостроения 195
4.1. Постановка задачи 195
4.1.1. Системы на базе объемных резонаторов СВЧ 196
4.1.2. Гибридные реакторные системы 199
4.1.3. Протяженные и дискретно распределенные плазменные реакторы 203
4.2. Источники энергии ВЧ плазмотронов 213
4.2.1. Емкостные генераторы плазмы 214
4.2.2. Индукционные генераторы плазмы 219
4.2.3. Гибридные генераторы плазмы 223
4.2.4. Многоканальные генераторы плазмы 227
Выводы 270
ГЛАВА 5. Модельные представления и реальные электронно-физические и электронно-технологические процессы в приборостроении 275
5.1. Оптимизация процессов высокочастотной термин 275
5.2. ВЧ(СВЧ) плазмотермия, оптимизация методов деструкции полимеров 296
5.2.1. Нагрев временной полимерной пленки 304
5.2.2. Плазмохимическая реакция травления 313
5.3. Высокочастотное возбуждение активной среды газовых лазеров технологического назначения 322
5.3.1. Энергетическая модель активной среды лазера 324
5.3.2.Использование явления вторичной электронной эмиссии при создании лазерной плазмы 334
5.3.3. Измерение ненасыщенного показателя усиления газового лазера с ВЧ возбуждением 342
5.3.4. Высокочастотные источники питания газовых лазеров технологического назначения 346
Заключение 375
Список литературы 378
Приложения 401
- Низкотемпературная плазма - активатор физико - химических процессов
- Обобщенное представление реакторных объемов любой конфигурации методом цепных аналогий
- Работа генератора в режимах многочастотной детерминированной генерации и автоколебательного шумообразования
- Источники энергии ВЧ плазмотронов
Низкотемпературная плазма - активатор физико - химических процессов
Необходимость экономии энергии и высокая стоимость химреагентов, а также условия их хранения и последующая нейтрализация требуют разработки и внедрения принципиально новых технологий, в частности, основанных на применении низкотемпературной газоразрядной плазмы. Высокие температуры и большая концентрация энергии в единице объема позволяют значительно интенсифицировать традиционные физико-химические реакции. Плазменные технологии основываются на новых явлениях, связанных с электропроводностью плазмы, ее чувствительностью к изменению электромагнитных полей, пространственной неоднородностью, электромагнитным излучением, позволяющие более эффективно осуществлять химические превращения по сравнению с традиционными методами обработки изделий в газовых и жидкостных химических средах, повышать селективность реакций и их управляемость.
Плазмохимические технологии применяются в электронном приборостроении при производстве электровакуумных (ЭВП) и полупроводниковых приборов [ 20,21,22,23 ]. Например, при изготовлении электровакуумных ламп для обезгаживания металлической арматуры используется нагрев токами высокой частоты. Интенсивно выделяющиеся при этом газы не всегда успевают своевременно откачиваться, в результате чего ионизируются в поле высокой частоты [ 24 ]. Было замечено, что этот эффект (так называемое «жестчение») приводит к очистке прибора. Однако не всегда это явление бывает полезно и желательно [ 25, 26,27 ]. Использование плазменных технологий для изготовления крупногабаритных электровакуумных электронно-лучевых и фотоэлектронных (ЭЛФЭП) приборов часто лимитируется большими размерами узлов и изделий. Поэтому, если для малогабаритных полупроводниковых приборов чаще всего требуются установки с групповой обработкой деталей, то для ЭЛФЭП, как правило, необходима комбинированная конвейерно-индивидуальная обработка. При изготовлении вакуумных устройств на ряду с промежуточными широко применяются финишные и предфинишные плазменные технологии, требующие достаточно высоких удельных мощностей (0,6 - 0,7 Вт/см3 и более), реализуемые часто не в специальных реакторах, а в самих оболочках собранных или полусобранных приборов и устройств. Плазмохимические технологии в полупроводниковом приборостроении в результате широкого применения галогеносодержащих плазмообразующих смесей, а также для снижения деструктивных эффектов отличаются более низкими удельными значениями мощности, составляющими 0,1 - 0,3 Вт/см \ Это необходимо учитывать при обосновании выбора частоты и энергии обработки, а также методов возбуждения реакторной плазмы, конструкции реакторов, составов и режимов прокачки плазмообразующих газов. К рабочим газам, используемым в плазмохимических технологиях электронного приборостроения, предъявляется ряд требований. Они должны обеспечивать: - при диссоциации в плазме газового разряда максимальный выход энергетически и химически активных частиц, способных при взаимодействии с обрабатываемым материалом образовывать либо стабильные летучие, либо легко распыляемые соединения; - требуемые скорости, селективность и анизотропию процесса обработки изделий; - должны быть нетоксичны и взрывобезопасны; - должны иметь минимальный уровень коррозионного и иного деградирующего воздействия на стенки реактора, вакуумных систем, а также на рабочие жидкости вакуумных насосов. Необходимость обработки разнообразных материалов привела к применению большого числа как однокомпонентных, так и многокомпонентных рабочих газов. Для плазмохимической обработки материалов используются многокомпонентные галогеносодержащие соединения класса хладонов, а также их смеси с кислородом, водородом, азотом и инертными газами.
Целесообразность таких добавок определяется часто необходимостью реализации селективного изменения количественного и качественного состава реакционноспособных радикалов за счет появления в плазме высокоэнергетичных электронов. Однако использование многокомпонентных смесей приводит к усложнению всех плазмохимических процессов , что приводит к трудностям при воспроизведении технологий. Появляется целый ряд одновременно и большей частью независимых друг от друга протекающих гомогенных и гетерогенных реакций. Образующиеся при этом разнообразные продукты, вторично вступающие в реакцию, могут оказывать как катализирующее, так и ингибирующее действие на протекание основных процессов. Кроме того, в зависимости от условий, ограниченных выбранными мощностью и давлением, химическое равновесие основных реакций может сместиться в сторону как образования легколетучих продуктов реакций, так и получения труднолетучих веществ, удаление которых с обрабатываемой поверхности может быть затруднено.
В случае применения многокомпонентных смесей вероятное направление протекания процессов в большинстве случаев неизвестно, что чрезвычайно усложняет понимание механизма плазмохимических процессов и делает невозможным» управление ими. Среди однокомпонентных плазмообразующих газов выделяют молекулярные (Н2, N2, Ог, F2, СЬ) и инертные (Ar, Ne, Не). Наибольшей реакционной способностью обладают галогеносодержащие газы. Как известно, галогены в периодической системе Д.И. Менделеева располагаются в конце периода (в подгруппе седьмой группы). Внешний электронный слой этих элементов близок к завершению, поэтому их атомы легко присоединяют электроны при взаимодействии с другими элементами. Способность атома оттягивать на себя общую электронную пару характеризуется относительной электроотрицательностью X. Чем больше электроотрицательность, тем выше способность атома присоединять электроны другого элемента. Количественные оценки электро- отрицательности элементов следует рассматривать как приближенные средние величины, поскольку электроотрицательность атома в известной мере зависит от других присоединенных к нему атомов и степени его окисления [ 28 ]. Электроотрицательность плазмообразующих газов в зависимости от атомного номера приведена в табл. 1.1.
Обобщенное представление реакторных объемов любой конфигурации методом цепных аналогий
В реальных задачах электронной и ионной технологий модельно-аналитические способы представления процессов в плазменных объемах являются сложными и приобретают важный характер. Приходится учитывать факторы, обусловленные процессами, протекающими в плазме, а также и конструктивно-геометрическими особенностями технологических объемов и обрабатываемых изделий. Даже не проводя анализ турбулентности газовых потоков и нестабильности параметров ВЧ полей, учитывая диффузию и дрейф частиц в плазме, приходится часто сталкиваться с нерегулярными процессами. Значительно облегчить задачу управления технологическими операциями можно используя упрощающие модельные представления плазменных явлений в технологическом объеме. К этому побуждает еще и то обстоятельство, что в случае использования многочастотных электромагнитных колебаний необходимо конструировать реакторный технологический объем ЭТК в виде одно- или многосвязного отрезка ВЧ волнового тракта, связанного с ВЧ источником питания распределенными либо сосредоточенными цепями связи. Определим параметры реакторного узла ЭТК, выполненного в виде отрезка волнового тракта, имеющего характер двусвязной полости и возбуждаемого в общем случае совокупностью постоянного и переменного электрических полей как технологической нагрузки высокочастотного источника питания (рис. 2.5).
Используем метод обобщения теории цепей на волновые системы, теоретически обоснованный в [77,78], для анализа плазменных технологических нагрузок ЭТК [79,80,81,82]. Определим эквивалентные параметры цепных аналогов плазменных объемов и оценим последние как технологическую нагрузку с конкретными энергетическими и частотными характеристиками. Отрезок волнового тракта характеризуем погонной проводимостью - У, которая учитывает реальные свойства плазмы. В случае двусвязной системы, образованной технологическим объемом с плазмой постоянной концентрации и изолирующими стенками, погонная проводимость определяется из соотношения [83] Здесь d - емкость изолирующего промежутка, определяемая как погонная емкость между проводниками, образующими линию, при замене металлом объема, занимаемого плазмой; Сро - емкость плазменного промежутка, определяемая при токе разряда, равном нулю; щ - плазменная частота; v - частота упругих соударений. Задачу рассмотрим в два этапа. Поскольку для реально используемых в технологических задачах давлений и энергий при применении ВЧ полей сечение упругого соударения доминирует над всеми прочими, на первом этапе при оценке энергобаланса воспользуемся линейной аналитической моделью, соответствующей режиму упругих соударений. На втором этапе, если будет необходимость, внесем коррективы на неупругие соударения. Используя выражение (2.5) для различных видов плазмы, аналитически выразим эквивалентную погонную емкость: а) бесстолкновительная плазма: Как следует из (2.7) Сэ является знакопеременной величиной, частотная зависимость которой имеет нули и полюса. Напомним, что соотношения (2.5-2.7) справедливы для однородной (постоянная концентрация) по сечению столба плазмы.
Рассмотрим распространение волн типа ТЕМ вдоль оси коаксиальной линии, образующие поверхности которой покрыты диэлектрической изоляцией. В осевом направлении этой линии возбужден тлеющий разряд в режиме давлений, типичных для плазменных технологий (10 2- 10 Па), т.е. при наличии градиента концентрации. Для линейного приближения в случае малых высокочастотных полей распределение концентрации плазмы вдоль радиальной координаты г от оси не зависит от ВЧ поля и удовлетворяет диффузионному уравнению где Zj - число актов ионизации в единице объема за одну секунду; DA - коэффициент амбиполярной диффузии. Граничные условия заключаются в равенстве нулю концентрации плазмы на ограничивающих разряд поверхностях, т.е. при г = du г = Ь. Решение (2.8) выражается линейными комбинациями бесселевых функций 1-го и 2-го рода, использование которых в дальнейших вычислениях затруднено.
По этой причине заменим коаксиальную линию несимметричной полосковой (рис. 2.6), имея в виду, что физические закономерности распределения концентрации плазмы не меняются, но аналитические соотношения значительно упростятся. В этом случае диффузионное уравнение принимает вид: а его решение описывается следующим образом Pv / d Диэлектрическая постоянная плазмы вдоль оси х, проведенной от одной изолирующей стенки до другой, меняется по закону: Здесь (Ор(0) - плазменная частота на оси симметрии полоскового тракта. Погонная емкость плазменного слоя между х и х + dx определяется Соотношения (2.11) и (2.12) указывают на то, что за счет явлений плазменного резонанса возможно существование режимов (Сэ 0), когда электромагнитная волна не может распространяться в плазменном волновом тракте. Рассматривая асимптотические приближения, можно получить предельные значения эквивалентной погонной емкости для заполненных плазмой отрезков полосковои линии при косинусоидальном изменении концентрации вдоль продольной координаты: Из рисунка видно, что частотный диапазон, предпочтительный для обеспечения высокого энерговклада в плазму, характеризуется условием со (Dp, когда проводимость плазменного объема является наивысшей.
Работа генератора в режимах многочастотной детерминированной генерации и автоколебательного шумообразования
Реализация автоколебательного шумообразования в замкнутой волновой системе с большим числом степеней свободы, содержащей дискретные либо распределенные, электровакуумные либо твердотельные активные двух-, трех-, четырехполюсники, является актуальной и достаточно трудной задачей. В генераторах шума (ГШ) в качестве основного механизма стохастичности используются собственные флуктуации системы либо шумовая модуляция от внешнего источника. В зависимости от вида и активных элементов, требований к шумовой полосе и величине спектральной плотности выходного колебания генерирующие структуры создаются на базе четырех- и восьмиполюсных сосредоточенных либо распределенных усилительных систем, часто уже содержащих внутренние элементы запаздывания и могущих обеспечить реализацию не только одно-, но иногда и многопетлевой задержанной обратной связи (рис. 3.9). С ростом выходной мощности подобных устройств наряду со спектральными особую важность приобретают техноэкономические факторы, так как при переходе от детерминированной генерации к стохастической имеет место резкое снижение КПД и выходной мощности.
Из детального анализа основных механизмов шумообразования [131,132,133,134,135] следует, что переход от детерминированной к стохастической автогенерации характеризуется рядом противоречащих друг другу и одновременно взаимообусловленных явлений: а) непредсказуемое появление при одновременном разрушении части предельных циклов, т. е. синхронное ослабление фактора обратной связи и снижение совокупной активной нелинейности системы; б) рост влияния на фазовые условия колебательных режимов диссипативного фактора системы, в особенности - мощной; в) реализация в конечной полосе частот условий независимости результирующего фазового запаздывания системы от частоты (рис.3.10), что является следствием фазовой дисперсионной нелинейности, привносимой в дискретные сечения либо отрезки генерирующей кольцевой структуры сосредоточенными либо распределенными реактивными нелинейностями. Стрелками на рисунке 3.10 показана динамика изменения зависимости с ростом нелинейности, привносимой в генерирующую кольцевую структуру реактивными элементами. Отмеченные явления находятся в соответствии с флуктуационными механизмами в естественных природных системах. В естественных квазиавтономных источниках недетерминированных колебаний (кристалли ческие структуры, в т. ч. полупроводниковые, всевозможные электронно-эмиссионные системы и т.д..) не проявляются такие четко выраженные факторы внутренней самоорганизации и амплитудного ограничения, как локальные обратные связи и нелинейности, откуда можно заключить, что элементарные источники природных шумов - «разомкнуты» и, поскольку их интенсивность мала, то нелинейности системы не могут проявиться. Следует выделить неоднозначную роль нелинейного фактора в задачах вынужденного спектрального обогащения в замкнутых и разомкнутых генерирующих структурах. Если в разомкнутой волновой системе одновременно существующие активная и реактивная нелинейности независимо от своего характера направленно стимулируют процессы по существу неограниченного спектрального обогащения, при определенных условиях приводящих к «ударным» волновым явлениям, то в замкнутой автоволновой системе роль активных и реактивных нелинейностей существенно отлична.
Проиллюстрируем сказанное на примере кольцевого автоколебательного устройства, выполненного на линии типа многозвенного фильтра нижних частот ФНЧ с диодными активными элементами, включенными в поперечные ветви (рис. 3.11). Имея в виду, что максимальное значение нормированной частоты генерируемого спектра ( тах со со крФНЧ ) не превосходит 0,5 - 0,6, с погрешностью менее 5% аппроксимируем фазовую характеристику звена ФНЧ следующим выражением ти, путем несложных преобразований на основе (3.20) можно получить выражение нелинейной фазовой (дисперсионной) характеристики звена ФНЧ в виде Здесь X = (4 - 7) - конструктивно-технологический параметр; Со -«холодная», невозмущенная емкость звена; С(и) - нелинейная емкость, обусловленная лампой; b(u)= ——-— - нелинейное затухание (в общем нФНЧ случае может иметь и отрицательный знак). Характер нелинейных зависимостей R(u) и С(и) в общем случае произволен. Результирующий нелинейный фазовый сдвиг определится выражением быть получены фазовые дисперсионные характеристики кольцевой генерирующей структуры, выполненной на многозвенной полосовой линии: Как следует из [131], привносимое активным элементом затухание (даже нелинейное) линеаризует фазовую характеристику системы, решающим образом влияя на спектральные характеристики. Например, при b(ii) 0,1 результирующая фазовая характеристика линейна в конечной полосе частот сої - (д\ , —— = const Ф 0, и при произвольном характере нелинейных асо зависимостей С{и) и Ь(и) в системе генерируются преимущественно синхронные либо кратные колебания с широким спектром. Четный характер активной нелинейности ВАХ ламп в сочетании с нелинейностью фазовой характеристики — =/(& ) благодаря явлению автофильтрации или автофазировки способствуют возникновению асинхронных (некратных) колебаний, число которых обычно значительно меньше числа синхронных компонент в результирующем спектре. Даже в оптимально сконструированных автогенераторах с задержанной обратной связью число асинхронных компонент спектра не превышает 3-4, однако благодаря сравнительно слабым корреляционным связям между асинхронными
Источники энергии ВЧ плазмотронов
Рассмотрение плазменных ВЧ реакторов отдельно от источника энергии не позволяет судить о результирующем КПД плазменного оборудования, то есть эффективности реализуемых технологических операций. Целевая функция, подлежащая оптимизации, должна включать в себя КПД плазменного реактора, КПД ВЧ генератора и эффективность и качество плазмохимических процессов. Будем считать, что определяемый составом газовой смеси, давлением и удельной плотностью вводимой энергии режим обеспечивает оптимальные условия протекания технологического процесса. Тогда с учетом структуры плазменного технологического комплекса суммарный КПД системы r/z может быть записан как Пг-г1 щ Пт, где г]щ — КПД плазменного реактора; /7г — КПД ВЧ генератора. В качестве оптимизационной качественной модели плазменного комплекса рассмотрим генератор с внешним возбуждением, нагрузкой которого служит резонансный контур, включающий в себя собственные емкости и индуктивности плазменного реактора.
Схема с внешним возбуждением редко используется для промышленных ВЧ генераторов (обычно источники строятся по однокаскадной автогенераторной схеме), но на примере ее работы можно более отчетливо выявить факторы, влияющие на суммарный КПД плазмотрона. В электронном приборостроении для промышленных индукционных и емкостных плазмотронов в качестве источников ВЧ энергии используются, как правило, ламповые автогенераторы, работающие на частотах 0,44 - 460 МГц при выходной мощности до единиц мегаватт. Выбор электронных ламп в качестве активных элементов промышленных ВЧ генераторов, как было ранее показано, обусловлен тем, что их рабочие напряжения, составляющие единицы и десятки киловольт, в большей степени соответствуют технологическим требованиям при создании оборудования. Рассмотрим плазменный генератор, работающий на ВЧ разряде емкостного типа, который получил наибольшее распространение в электронном приборостроении. В таких генераторах чаще всего используются планарные либо цилиндрические реакторы с продольным возбуждением плазмы. С позиций энергосбережения проведем комплексный анализ системы емкостной плазменный реактор - источник ВЧ энергии ,(рис. 4.10) [167,168,169]. Эквивалентная схема контура емкостного плазмотрона изображена на рис. 4.11. Плазменный реактор представлен емкостями Ср и Скр. Здесь СКР — краевая емкость электродов реактора, не участвующая в формировании активного объема плазменного реактора; Ср — рабочая емкость заполненного плазмой реактора, определяемая холодной емкостью реактора Со и диэлектрической проницаемостью плазмы єп: Ср =Qfn. В данной модели плазменного реактора пренебрегаем емкостями, образуемыми изолирующим электроды диэлектриком Сд и эквивалентными емкостями приэлектродной области разряда Сэ, считая Сэ » Ср; Сэ » Ср, что справедливо для давления и геометрии емкостных плазмотронов, используемых в электронном приборостроении.
При сделанных допущениях полагаем, что плазма в межэлектродном объеме однородна. КПД такого резонансного ВЧ плазменного реактора определяется выражением где Rp — рабочее сопротивление резонансного контура при горящем Выражение (4.4) полностью согласуется с физическими представлениями о том, что при є — 1 и є" —» 0, т.е. при отсутствии плазмы, а значит, и потребления энергии КПД плазменного реактора стремится к нулю. Зная КПД плазменного реактора, в соответствии с общей теорией ВЧ резонансных генераторов [140] выразим суммарный КПД системы резонансный контур - генератор по формуле 1+7{1-%р однократной гармонической линеаризации ВАХ активного элемента; в — угол отсечки анодного тока; 5 — крутизна линии граничного режима, определяемая по выходной ВАХ активного элемента [139]. Подставив значение КПД плазменного реактора (4.4) в (4.5) и обозначив А = ф- г\ получим , = ,+А) ,+А) Активные потери в плазме, характеризующие полезное потребление энергии, определяются мнимой составляющей постоянной диэлектрической проницаемости плазмы є". Оптимизируя значение суммарного КПД относительно є", найдем Теоретически возможный максимальный КПД системы плазменный реактор - генератор в режиме полного согласования определится соотношением Лъших =0 5—- = 0,5 — 5 чт0 соответствует положениям теории резонансных источников ВЧ энергии. Так как к определению КПД устройства плазмотрон — реактор применялся системный подход, полученные соотношения могут непосредственно использоваться для выбора оптимального режима работы любого технологического оборудования. В качестве параметра, подлежащего оптимизации, примем параметр Г, который получим из соотношения (4.6) в виде
