Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле Петров Александр Кириллович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературы 24

Глава 2. Описание экспериментальной установки и методов исследований 48

2.1. Описание экспериментальной установки 48

2.2. Методика определения доли ВЧ мощности, поглощенной плазмой

2.2.1. Эквивалентная электрическая схема 51

2.2.2. Понятие эквивалентного сопротивления 53

2.2.3. Методика измерение мощности, вложенной в плазму 54

2.2.4. Методика измерения ВЧ тока 56

2.3. Методика зондовой диагностики 57

2.2. Методика измерения ВЧ токов и магнитных полей 59

2.5. Выбор условий эксперимента 62

Глава 3. Экспериментальные исследования параметров плазмы 79

3.1. Особенности индуктивного ВЧ разряда, наблюдаемые при изменении индукции магнитного поля и давления газа 79

3.2. Аксиальное распределение зондового тока насыщения 82

3.3. Аксиальное распределение концентрации и эффективной температуры электронов, потенциала пространства 90

3.4. Влияние емкостной составляющей на параметры разряда 94

3.5. Выводы 98

Глава 4. Экспериментальные исследования пространственного распределения ВЧ полей и токов, закономерностей энерговклада 100

4.1. Аксиальное распределение продольных компонент ВЧ полей и токов 101

4.2. Анализ результатов измерения продольных компонент ВЧ полей и токов 105

4.3. Влияние емкостной составляющей на аксиальное распределение ВЧ полей и токов 114

4.4. Радиальные распределения продольных компонент ВЧ полей и токов 117

4.5. Связь пространственного распределения полей и концентрации электронов 118

4.6. Эффективность вложения ВЧ мощности 119

Глава 5. Моделирование в программе «КАРАТ» 124

5.1. Моделирование плазмы методом крупных частиц 124

5.2. Моделирование однокамерного источника

5.2.1. Зависимость параметров плазмы от величины внешнего магнитного поля 129

5.2.2. Зависимость параметров плазмы от положения антенны в случае однородного внешнего магнитного поля 132

5.2.3. Зависимость параметров плазмы от конфигурации внешнего магнитного поля 134

5.2.4. Распространение волн в однокамерном источнике плазмы 135

5.3. Моделирование двухкамерного источника 136

5.3.1. Формирование плазменного столба 138

5.3.2. Перераспределение плотности плазмы – эффект «перекачки» 139

5.3.3. Влияние емкостной составляющей на перераспределение концентрации электронов 140

5.3.4. Влияние тока антенны на перераспределение концентрации электронов 143

5.3.5. Влияние плотности намотки витков индуктора на распределение плотности плазмы 144

5.4. Выводы 146

Основные результаты и выводы 147

Благодарности 150

Список цитированной литературы 151

Список публикаций по теме диссертации

• Методика определения доли ВЧ мощности, поглощенной плазмой
• Аксиальное распределение концентрации и эффективной температуры электронов, потенциала пространства
• Радиальные распределения продольных компонент ВЧ полей и токов
• Зависимость параметров плазмы от положения антенны в случае однородного внешнего магнитного поля

Введение к работе

Актуальность темы

Индуктивный ВЧ разряд низкого давления, помещенный во внешнее магнитное поле, является неотъемлемой частью многочисленных земных и космических технологий. Разряд используется в полупроводниковой промышленности при производстве микросхем, в качестве активной среды космических электрореактивных двигателей [1], источников света [2], в процессах поверхностной модификации материалов [3], напыления и осаждения покрытий [4].

Широкий круг практических задач, решаемых с помощью индуктивного ВЧ разряда, помещенного во внешнее магнитное поле, определяется возможностью получения в разряде плотной плазмы с минимальными энергозатратами. Известно, что в индуктивном ВЧ разряде ВЧ поля скинируются и не проникают вглубь плазмы [5-6]. Наложение внешнего магнитного поля, индукция которого соответствует областям резонансного возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн, сопровождается появлением областей прозрачности, где ВЧ поля проникают вглубь плазмы и эффективно нагревают электроны [7-9]. В литературе подобный разряд получил название «геликонного» [10]. В настоящее время в литературе принята точка зрения, что поглощение ВЧ мощности в разряде при концентрациях электронов менее 10¹²см-³ происходит вследствие черенковского механизма поглощения энергии косой ленгмюровской волны [9,11]. Рост числа электрон-атомных или электрон-ионных столкновений при увеличении давления или плотности плазмы соответственно приводит к понижению роли косой ленгмюровской волны и снижению эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой [9,11]. При этом основной объем исследований, выполненный в литературе, соответствуют высоким величинам индукции внешнего магнитного поля и ВЧ мощности, при которой концентрация электронов достигает величин порядка 5-10¹² см-³, а частота электрон-ионных соударений превышает величину kvr_e, характеризующую бесстолкновительное поглощение. ( волновое число, vre - тепловая скорость электронов). Роль косой ленгмюровской волны в этом случае оказывается пониженной.

В последние годы наметилась тенденция использования индуктивного ВЧ разряда с внешним магнитным полем в плазменных технологиях при относительно небольших значениях ВЧ мощности и индукции магнитного

поля [12]. Наибольшее распространение в технологических приложениях получил двухкамерный источник плазмы, состоящий из двух объемов разного радиуса - газоразрядного (ГРК), где формируется разряд, и технологического, где располагаются образцы [4]. В указанных источниках используется расходящееся в технологической камере магнитное поле. Достигаемая концентрация электронов в таких источниках не превышает 5-10¹¹ см-³, а магнитное поле - 250 Гс. Обзор литературы показывает, что свойства разряда, реализуемого в таких источниках, изучены далеко не полностью. Кроме того, развитие и оптимизация характеристик источников плазмы, предназначенных для реализации плазменных технологий, ставят задачу нахождения ключевых внешних факторов, позволяющих управлять его основными параметрами, а именно: концентрацией и энергетическим распределением электронов и ионов, пространственным распределением указанных величин. В связи со всем вышеизложенным тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы

Целями диссертационной работы являлось экспериментальное исследование и численное моделирование методом крупных частиц (PIC) физических процессов и механизмов, влияющих на аксиальное распределение параметров разряда, в том числе пространственного распределения продольной компоненты ВЧ магнитного поля и зависимостей вложения ВЧ мощности в плазму двухкамерного высокочастотного индуктивного источника плазмы от давления рабочих газов (0.07-5 мТор для аргона и 11-74 мТор для гелия), индукции внешнего магнитного поля (0-70 Гс), частоты (2, 4, 13.56 МГц) и мощности (0-600 Вт) ВЧ генератора.

Научная новизна работы

Впервые было проведено комплексное систематическое исследование пространственного распределения параметров разряда (концентрации и температуры электронов, потенциала пространства), продольных компонент высокочастотных магнитного поля B_z и тока J_z, а также эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой в двухкамерном индуктивном ВЧ источнике плазмы с однородным в области технологической камеры внешним магнитным полем. Обнаружено, что в области сочленения газоразрядной и технологической камер при условии использования металлического разделительного фланца, наблюдаются локальные минимумы концентрации, температуры электронов и потенциала пространства, связанные с наличием паразитной емкости между антенной и фланцем. Увеличение индукции внешнего магнитного поля приводит к выравниванию аксиального распределения потенциала и параметров плазмы. Использование диэлектрического фланца приводит к исчезновению локального минимума в области сочленения камер и увеличению концентрации плазмы в газоразрядной камере вследствие исключения паразитного емкостного канала разряда.

Впервые показано, что в случае использования слабо расходящегося магнитного поля в газоразрядной камере и однородного магнитного поля в технологической камере при давлениях, когда длина свободного пробега электронов превышает геометрические размеры источника плазмы, увеличение индукции магнитного поля позволяет повысить концентрацию электронов в технологической камере, причем на рабочих частотах 4 и 13.56 МГц плотность плазмы в технологической камере становится выше, чем в газоразрядной. Эффект аксиального перераспределения плотности плазмы с ростом индукции магнитного поля вызван самосогласованным действием следующих факторов: изменением аксиального распределения ВЧ полей, связанного с возбуждением волн в плазме, изменением величин квазистационарных скачков потенциала в разряде вблизи металлических элементов конструкции источника плазмы, действием силы Миллера, выталкивающей электроны и ионы из области больших ВЧ полей. Наибольшие значения плотности плазмы в технологической камере получены при рабочей частоте 4 МГц.

Достоверность полученных результатов

Экспериментальные результаты получены с привлечением нескольких независимых диагностических методик и сопоставлены с результатами других групп исследователей. Проведено численное моделирование параметров разряда, а также расчеты закономерностей проникновения ВЧ полей и распределения в объеме источника в зависимости от внешних условий. Результаты имеют хорошее согласие с данными экспериментов, проведенных в настоящей работе и в работах других авторов, что позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.

Практическая и теоретическая ценность работы

Полученные результаты могут служить основой для объяснения
физических свойств индуктивного ВЧ разряда в двухкамерном источнике
плазмы, а также для планирования дальнейшего исследования механизмов
поглощения ВЧ мощности в условиях резонансного возбуждения волн в
плазме. Кроме того, результаты работы позволяют выделить основные
внешние параметры, влияющие на характеристики плазмы технологических
двухкамерных индуктивных ВЧ источников плазмы. Результаты,

представленные в диссертации, использованы в ОАО «Научно-

исследовательский институт точного машиностроения» при разработке
гибридной напылительной плазменной системы для целей ионного
ассистирования процессам напыления покрытий для нужд

полупроводниковой промышленности. Кроме того, результаты могут быть полезны при разработке и оптимизации геликонных источников, выступающих в качестве функционального узла ВЧ электрореактивных двигателей и источников ионов.

Апробация диссертации

По материалам диссертации были сделаны доклады на научных семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, ИНХС РАН им.А В. Топчиева, ИОФ РАН им.А.М.Прохорова. Основные результаты докладывались на международных научных конференциях:

1. Всероссийская (с международным участием) конференция "Физика низкотемпературной плазмы" ФНТП-2014, Казань, 2014.

2. XLI Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Москва, 2014

3. 4th Workshop on Radio Frequency Discharges, La Presqu'le de Giens, France, 2013.

4. XL Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Москва, 2013.

5. XXXIX Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Москва, 2012.

6. 11th APCPST and 25th SPSM, Kyoto, Japan, 2012.

7. WDS'12, Prague Czesh Republic, Prague, 2012.

8. Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2012», Москва, 2012.

9. XXXVIII Международной конференции по физике плазмы и УТС 2011, с.353-353, 2011.

10. Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2011», Москва, 2011.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК России и 16 тезисах в сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялись сборка экспериментальной установки, разработка и апробация методики по измерению высокочастотных компонент магнитного поля B_z и тока J_z, проведение эксперимента, обработка, анализ экспериментальных данных, численное моделирование. При участии автора проводилась интерпретация результатов численного моделирования и эксперимента.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

- Результаты систематического экспериментального исследования влияния внешних условий разряда на величины и пространственное распределение параметров плазмы (концентрации, эффективной температуры электронов,

потенциала пространства, эквивалентного сопротивления плазмы) двухкамерного высокочастотного индуктивного источника плазмы, помещенного во внешнее магнитное поле в диапазонах давления 110^-2 - 75 мТор инертных газов (аргона и гелия), мощности ВЧ генератора 0 - 500 Вт при частотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 - 70 Гс.

Результаты систематического экспериментального исследования влияния внешних условий разряда на пространственное распределение высокочастотных компонент магнитного поля B_z в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле при давлении аргона 0.7 мТор, мощности ВЧ генератора 400 Вт при частотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 - 70 Гс.

Результаты численного моделирования физических процессов в двухкамерном высокочастотном индуктивном разряде, помещенном во внешнее магнитное поле.

Результаты анализа влияния емкостной составляющей, рабочей частоты, давления инертного газа, величины внешнего магнитного поля и мощности ВЧ генератора на величины и пространственное распределение параметров плазмы и высокочастотной компоненты магнитного поля B_z.

Структура и объем диссертации

Методика определения доли ВЧ мощности, поглощенной плазмой

Исследование физики индуктивного ВЧ разряда имеет длительную историю. Высокочастотный безэлектродный разряд был открыт И.В. Гитторфом в 1884 году [57]. И.В. Гитторф заметил, что остаточный газ в вакуумной трубке, помещённой в соленоид, начинает светиться, как только через соленоид начинает течь высокочастотный ток. В 1891г. Дж.Дж. Томсоном было высказано предположение [32], что возбуждение и поддержание индуктивного разряда обеспечивается вихревым электрическим полем, которое создается ВЧ магнитным полем, индуцируемым при протекании тока по антенне. Вихревое электрическое поле нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего газа.

Известно, что ВЧ поля скинируются в проводящих средах. Закономерности проникновения ВЧ полей в плазму индуктивного разряда впервые были изучены Дж.Дж. Томсоном. В работе [32] им был рассмотрен случай цилиндрического индуктивного источника плазмы при условии, что его длина L намного превышала радиус R, L» R.

В работах [32-33] расчет структуры ВЧ полей был выполнен в приближении v » со, когда длина свободного пробега электронов X много меньше толщины скин-слоя S, X « д. В этом случае индуцированный в плазме ток j определяется ВЧ полем Е, существующим в данной точке пространства, т. е. связь между у и Е является локальной.

Противоположный предел X » 5 известен как область аномального скин-эффекта. При этом плотность тока заряженных части в данной точке плазмы определяется значениями электрического поля вдоль всей траектории движения частиц, т.е. связь между током j и величиной электрического поля Е, а также связь между электрическим полем Е и электрической индукцией D является нелокальной. Уравнения, связывающие j и Е, а также Е и D в этом случае представляют собой интегральные соотношения. Качественная теория аномального скинэффекта была разработана А. Пиппардом в работе [34]. Предположение А. Пиппарда заключалось в разделении электронов на, так называемые, «эффективные» электроны, которые движутся почти параллельно (под малыми углами в д/Х) поверхности источника плазмы, и «неэффективные» — для которых в д/Х. В рамках такого представления «эффективные» электроны вносят основной вклад в ток проводимости, текущий в скин-слое. Остающиеся «неэффективные» электроны слишком быстро покидают скин-слой, и, следовательно, электрические поля «не успевают» оказать на них существенного воздействия. В связи с этим ток проводимости в скин слое падает в д/Х раз.

Наложение внешнего магнитного поля на индуктивный ВЧ разряд приводит к появлению «областей прозрачности», т.е. областей значений внешнего магнитного поля, при которых ВЧ поля проникают вглубь плазмы. Проникновение ВЧ полей в плазму и механизмы поглощения ВЧ мощности плазмой при наличии внешнего магнитного поля изучались в большом количестве работ [35-40,42]. Остановимся более подробно на работах, посвященных исследованию разряда, выполненных при условиях, соответствующих возбуждению геликонных волн в плазме. Геликонная волна представляет собой слабо затухающую поперечную электромагнитную волну, возбуждаемую в плазме при наличии внешнего магнитного поля, значения индукции которого удовлетворяют неравенству [35]: СОп«СО«Пе«СОье, (1.1) где со - рабочая частота, сои - ионная ленгмюровская частота, Qe электронная циклотронная, соье - ленгмюровская частота. Дисперсионное выражение для геликонных волн, распространяющихся параллельно внешнему магнитному полю в безграничной плазме, имеет вид: г, ккс2 к2с2 x = Qe L /v2 (1.2) Где & =cos6 , к - волновой вектор, в - угол между направлением распространения волны и внешним магнитным полем, с - скорость света, v -частота электрон-атомных столкновений.

Исторически впервые свойства геликона были изучены при рассмотрении условий возбуждения волн в металлах и полупроводниках. Так, в 1960 г. О.В. Константинов, В.И. Перель [58] и П. Эгрен [41] предсказали существование электромагнитных волн с частотой, лежащей между ионной и электронной циклотронными частотами, в хорошо проводящих твердых телах, находящихся в сильном постоянном магнитном поле. За круговую поляризацию П. Эгрен [41] назвал их геликонами. Экспериментальное подтверждение возбуждения геликонной волны в твердом теле связано с именами Р. Бауэрс, Ч. Ледженд и Ф.Э. Роуз [59], наблюдавших геликоны в натрии в 1961 г. Вскоре после этого А. Либхабер и Р. Вейлекс сообщили об обнаружении геликона в микроволновом диапазоне частот в экспериментах с антимонидом индия [60]. В дальнейшем Р.Г. Чэмбер и Б.К. Джонс [61] провели обстоятельное изучение геликонов во многих простых металлах. К настоящему времени опубликованы сотни статей по различным аспектам распространения геликонных волн в твердых телах.

Параллельно с исследованием геликонных волн в твердых телах были начаты исследования особенностей возбуждения волн в квазинейтральном ионизованном газе - плазме. Так, при исследовании ионосферы в работах [62-64] было показано, что обнаруженные ранее «свистящие атмосферики» [65-66] представляют собой геликонные волны, распространяющиеся вдоль магнитного поля Земли. В наземной плазме, геликоны впервые наблюдались в экспериментах, выполненных на тороидальной установке по исследованию термоядерного синтеза ZETA [67]. На ней Р.М. Галлет, Дж.М. Ричардсон и другие [67] зафиксировали распространение волны вдоль линий магнитного поля. Вскоре после этого Х.А. Блевин и П.Ч. Тонеман [68] в экспериментах с многокомпонентным внешним магнитным полем с вращающейся азимутальной компонентой, наложенной на цилиндрический источник плазмы, обнаружили высокочастотные осцилляции, которые идентифицировали как стоячие геликонные волны. Необходимо отметить, что, если первые работы по изучению геликонных волн были направлены на изучение их свойств, то в более поздних экспериментах геликонные волны использовались в качестве инструмента для изучения радиальных профилей концентрации электронов в источниках плазмы, помещенных во внешнее магнитное поле [69-72].

Аксиальное распределение концентрации и эффективной температуры электронов, потенциала пространства

В качестве зонда для диагностики аксиальной компоненты высокочастотных магнитных полей в разряде (Вz) использовался миниатюрный индуктор из 25 витков диаметром 2 мм. Витки были выполнены из 0.3 мм медной проволоки, покрытой лаковой изоляцией. Суммарная длина индуктора составляла порядка 8 мм. На выходе из индуктора провода переплетались и пропускали через фторопластовую трубку для дополнительной изоляции от стенок заземленной 5 мм медной трубки, через которую, аналогично проводам зонда для измерения ВЧ-токов, сигнальный провод выводился из технологической камеры. Экранировка проводов, области трансформаторной развязки, а также вывод сигнала осуществлялся способом, аналогичным описанному выше для случая измерения аксиальной компоненты ВЧ-тока Jz. Сигнал измерялся после трансформаторной развязки также посредством селективного вольтметра В6-10.

Для определения фазы измеряемой компоненты ВЧ тока или ВЧ магнитного поля относительно тока, текущего через антенну, использовался цифровой двухканальный осциллограф. На один из каналов прибора подавался сигнал от пояса Роговского, измеряющего ток антенны, на другой – сигнал с диагностического зонда. Прибор позволял по смещению во временной развертке определять сдвиг сигнала зонда относительно сигнала с пояса Роговского, которой впоследствии по известной рабочей частоте переводился в градусы.

В настоящей работе условия эксперимента выбирались таким образом, чтобы основной вклад в поддержание разряда вносила косая ленгмюровская волна. Известно [39,42-46], что проникновение волн в разряд и, как следствие, их вклад в поглощение ВЧ мощности плазмой, сильно зависит от параметров разряда, и в частности, от концентрации электронов и давления рабочего газа. Для того чтобы оценить параметры разряда, когда косая ленгмюровская волна является объемной, с помощью программы [39-40] решалась прямая и самосогласованная электродинамические задачи.

При решении прямой задачи задавались параметры разряда, такие как геометрические размеры источника, рабочие давления и частота, температура и концентрация электронов, а также устанавливался диапазон значений внешнего магнитного поля, в котором производился расчет. Плотность плазмы при этом считалась постоянной во всем диапазоне значений внешнего магнитного поля.

Решение самосогласованной задачи отличалось от решения прямой тем обстоятельством, что в нем учитывалась связь параметров плазмы с мощностью, отдаваемой генератором во внешнюю цепь. В ходе решения самосогласованной задачи величина концентрации электронов не задавалась извне, а определялась в результате решения самосогласованной задачи, исходя из заданных мощности ВЧ генератора и сопротивление антенны, для разных значений внешнего магнитного поля.

В результате расчетов были получены радиальные зависимости компонент электрического поля геликонного решения и косой ленгмюровской волны для разных значений внешнего магнитного поля. Ниже подобные распределения амплитуды волны в плоскости r/B будут приведены в виде цветных 2D графиков. На рис.2.5.1 приведено сравнение результатов прямой задачи с концентрацией электронов 1011 см-3 и самосогласованной (зависимость концентрации от магнитного поля для случая самосогласованной задачи приведена на рис.2.5.2) для случая разряда с рабочей частотой 4 МГц, давлением 0.7 мТор.

Зависимость рассчитанной в рамках самосогласованной задачи концентрации электронов от величины внешнего магнитного поля. Как видно, решения самосогласованной и прямой задачи дают схожие результаты. Небольшие отличия связаны с немонотонностью изменения плотности плазмы с магнитным полем, полученные при решении самосогласованной задачи. В дальнейшем будем руководствоваться результатами решения прямой задачи, когда концентрация электронов считается известной.

В результате расчетов было обнаружено, что у геликонных источников можно грубо выделить три рабочих режима: 1) низкие концентрации ( 1010 см-3), когда объемной является косая ленгмюровская волна, а геликон – поверхностный; 2) умеренные концентрации ( 1011 см-3), когда обе волны проникают в объем источника плазмы; и 3) область высоких концентраций ( 1012 см-3), когда косая ленгмюровская волна вымещается на поверхность, а геликон остается объемным.

На рис.2.5.3-2.5.5 приведены радиальные распределения электрических компонент косой ленгмюровской волны (обозначена индексом «1») и геликона (обозначен индексом «2») для разных значений внешнего магнитного поля. Рабочая частота при этом была выбрана 13.56 МГц, величина концентрации – 1010 см-3, 51011 см-3 и 51012 см-3 соответственно. Необходимо отметить, что на цветных 2D графиках распределения амплитуды в плоскости r/B приведено в относительных единицах. Для сравнения амплитуд разных компонент между собой следует пользоваться графиком с зависимостью суммарной амплитуды от величины внешнего магнитного поля. Последняя получена путем интегрирования поля волны по радиусу для каждого конкретного значения магнитного поля.

Радиальные распределения продольных компонент ВЧ полей и токов

В рассмотренном диапазоне индукции внешнего магнитного поля (0-60Гс) и мощностей ВЧ генератора (до 600 Вт) выполняется неравенство CDu «СО«Ое «CL Le, (4.1) где ( и, со, Qe, x Le - ионная ленгмюровская, круговая рабочая, электронная циклотронная и ленгмюровская частоты. Теоретические модели ВЧ индуктивного разряда, помещенного во внешнее магнитное поле [39-40,42], предсказывают, что при условиях (4.1), возможно возбуждение двух связанных между собой волн: геликоноподобной и квазиэлектростатической косой ленгмюровской волны.

В связи с этим в настоящей работе проводились измерения продольных компонент ВЧ магнитного поля Bz и тока jz, несущих информацию об указанных выше волнах. Необходимо отметить, что между измерениями Jz. и Ez, конечно нельзя провести однозначного соответствия ввиду неоднородности распределения концентрации и температуры электронов вдоль оси источника плазмы. Тем не менее, пространственное распределение продольной компоненты высокочастотного тока несет в себе некую качественную информацию [110]. В связи с этим было решено целесообразным провести измерения продольного и радиального распределения ВЧ тока, а также провести сравнение результатов эксперимента с существующими по данному направлению работами. Рассматривались два варианта конструкции источника плазмы: в первой стандартной конструкции использовался металлический разделительный фланец В, во второй разделительный фланец был выполнен из оргстекла. Очевидно, что при наличии металлического фланца между витками антенны и металлическим разделительным фланцем возникает паразитная емкость, что влечет за собой появление заряда на поверхности источника плазмы.

Таким образом, узлы ввода ВЧ мощности в указанных вариантах конструкции источника плазмы различались. В связи с тем, что в технологических источниках плазмы используют металлические разделительные фланцы, основное систематические исследования ВЧ полей были выполнены с фланцем из дюраля. На рисунках, приведенных далее по тексту, по умолчанию, если не оговорено специально, представлены данные, полученные с металлическим фланцем.

Измерения компонент магнитного ВЧ поля и ВЧ тока проводились для разных рабочих частот и приведены ниже в порядке её возрастания сначала для Bz, а затем – для Jz. После представления экспериментальных данных в настоящей главе приведены результаты расчетов, аппроксимирующих эксперимент, и выводы.

На рис.4.1.1 - 4.1.2 показаны аксиальные распределения амплитуды и фазы продольной компоненты ВЧ магнитного поля, измеренные при различных значениях индукции внешнего магнитного поля при работе на частоте 2МГц и мощности ВЧ генератора 400Вт. По причине малости амплитуды ВЧ магнитного поля и недостаточно высокой разрешающей способности диагностирующего аппарата, значения сдвига фазы Bz относительно тока антенны для 0 Гс измерить не удалось.

При отсутствии магнитного поля величина Bz очень мала. При значениях внешнего магнитного поля с 14 до 28.8 Гс Bz максимально в области локализации антенны и монотонно спадает в сторону технологической камеры, однако фаза Bz практически не изменяется. Это позволяет сделать вывод, что волна В типа в источнике плазмы при этих условиях не формируется. Увеличение внешнего магнитного поля до значения в 43.2 Гс ведет к снижению амплитуды Bz в области ГРК и формированию фазового профиля Bz, соответствующего случаю бегущей волны в области, расположенной между антенной и нижним фланцем. Профиль частично стоячей волны при этом не формируется. Разность между фазами волны, измеренными у нижнего витка антенны (z = 16 см) и нижнем фланцем, близка к 180. В экспериментах погрешность в определении фазы волны составляет величину порядка 10%. Дальнейшее увеличение внешнего магнитного поля приводит к срыву разряда.

Зависимость аксиального распределения а) амплитуды и б) фазы Вz от внешнего магнитного поля. 4 МГц, 400 Вт. Давление аргона 0.7 мТор. Аналогично случаю 2 МГц при отсутствии магнитного поля Bz максимально в области локализации антенны. Рост магнитного поля до 14.4 Гс сопровождается увеличением амплитуды Bz при всех рассмотренных z без заметного изменения фазы. При достижении значений магнитного поля в 28.8 Гс ситуация кардинально меняется – в разряде начинает формироваться частично бегущая волна. При этом наблюдается формирование немонотонной пространственной структуры полей Bz и заметное изменения фазы вдоль оси источника ( 360о). Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к акцентированию характерных локальных максимумов и минимумов зависимости Bz(z), пока при магнитном поле 72 Гс не происходит срыв разряда.

Увеличение рабочей частоты до 13.56 МГц приводит к формированию дополнительных максимумов в аксиальном распределении амплитуды Вz (рис.4.1.3). Зависимость аксиального распределения амплитуды Вz от внешнего магнитного поля. 13.56 МГц, 400 Вт. Давление аргона 0.7 мТор.

Пространственная структура ВЧ магнитного поля волны на оси источника начинает формироваться уже при достижении внешним магнитным полем значения в 14 Гс. Увеличение индукции внешнего поля более 14 Гс ведет к росту числа локальных максимумов и минимумов.

В целом, с ростом рабочей частоты ВЧ генератора с 2 до 13.56 МГц наблюдается смещение границы начала формирования волновой структуры ВЧ полей Вz в область меньших значений внешнего магнитного поля. К сожалению, на рабочей частоте 13.56 МГц измерить фазу по причине крайне малой временного сдвига между сигналом, поступающим с зонда и сигналом с основного пояса Роговского, не удалось.

Зависимость параметров плазмы от положения антенны в случае однородного внешнего магнитного поля

Расчетная область для случая однокамерного источника (см. рисунок 5.2.1) представляла собой цилиндр длиною 14 см и радиусом 3.5 см. Граница счетной области представляет собой идеальный проводник с нулевым потенциалом. Она показана на рисунке красным цветом. При проведении расчетов использовалось несколько осесимметричных моделей источника плазмы. Как показали расчеты [39-40,42] проникновение ВЧ полей в плазму при работе на частоте 13.56 МГц возможно, если длина источника плазмы превосходит 10 см. В связи с этим длина всех источника плазмы в расчетах равнялась 11 см. В первом случае область, занятая плазмой, имела радиус 2 см. Боковые стенки и торцевая поверхность при z = 1.5 см источника плазмы являлись диэлектриками. На рисунке последние выделены синим цветом. Торцевая поверхность при z = 12.5 см являлась идеальным проводником, ее потенциал равен нулю. На внешней боковой поверхности цилиндра расположены три витка с током, осциллирующим с заданной высокой частотой (12.5 МГц). Положение витков с током помечено на рисунке серыми крестиками.

Ось источника плазмы совпадает с осью z. Результаты моделирования ниже представлены в сечениях, проходящих через точки, отмеченные фиолетовыми крестами. Желтым показаны силовые линии магнитного поля.

При проведении расчетов предполагалось, что плазма состоит из атомов, ионов и электронов, возникающих в результате актов ионизации атомов электронами. Ниже на рисунках ионы и электроны, рожденные в основном объеме, будут обозначены красным и зеленым цветами. В качестве рабочего газа был рассмотрен аргон. Концентрация нейтральных частиц равнялась 31013 см-3. Необходимые для расчетов сечения упругих столкновений, ионизации и возбуждения были взяты из работ [142-146]. Ступенчатые процессы, также как столкновения тяжелых частиц между собой, не учитывались. Для ускорения расчетов во всех случаях масса ионов полагалась равной 2000me, где me - масса электрона.

Расчеты проводились по следующей схеме: - задавалось начальное распределение плазмы в центральной части источника плазмы. Начальная концентрация электронов и ионов равнялась 11010 см-3. - задавалась величина тока, текущего через антенну. - рассчитывалось изменение параметров плазмы в зависимости от времени и находились стационарные решения.

Зависимость полного числа частиц в расчетной области от времени при различных значениях тока, текущего через антенну. Красная кривая – ионы, зеленая кривая – электроны, возникающие в результате ионизации атомов электронами. В зависимости от величины тока, текущего через антенну, зависимость полного числа частиц в счетной области от времени имела различный вид (рис.5.2.2).

В случае, когда число частиц со временем уменьшалось до нуля, считалось, что индуктивный разряд при заданном токе через антенну существовать не может. Когда число частиц со временем слабо изменялось или резко возрастало, считалось, что индуктивный разряд реализуется. К сожалению, в случае резкого возрастания со временем числа частиц не удавалось достичь стационарных режимов из-за сильного возрастания счетного времени.

На рис.5.2.3 показаны распределения плотности плазмы и кинетической энергии электронов вдоль оси z в сечениях, помеченных на рисунке 5.2.1 фиолетовыми крестами, при различных значениях индукции внешнего магнитного поля.

Рассмотрение вышеприведенных графиков показывает, что при наименьшем из рассмотренных магнитных полей – 20 Гс, максимум концентрации электронов в продольном направлении достигается в области локализации антенны z = 3–4 см. В радиальном направлении вблизи антенны концентрация электронов максимальна вблизи оси источника плазмы. Здесь наблюдаются и наибольшие значения кинетической энергии электронов єе. Радиальная зависимость єе пропадает по мере удаления от антенны. Рост индукции магнитного поля приводит к смещению положения максимума концентрации электронов по z в центральную часть источника плазмы. Радиальное распределение электронов при В = 40-50 Гс сначала выравнивается вплоть до г=1 см, а затем при В = 70 Гс концентрация электронов вблизи оси разряда (г 1 см) уменьшается по сравнению со значениями концентрации, полученными для г=1см и г=1.3 см. Необходимо, отметить, что полученный результат качественно соответствует наблюдавшимся экспериментально закономерностям изменения радиального профиля интенсивности свечения плазмы и зондового ионного тока насыщения при изменении величины магнитного поля [148].

На рис.5.2.4 показаны радиальные зависимости ВЧ полей, рассчитанных для центрального сечения источника плазмы. Как видно, наибольшее значение имеет радиальная компонента ВЧ электрического поля. Вблизи оси источника плазмы наибольшее значение имеют компоненты поля, нормированные на ток антенны, при магнитном поле 20 Гс. Как следствие, при указанном магнитном поле концентрация электронов вблизи оси источника плазмы максимальна. С ростом индукции магнитного поля радиальная и азимутальная компоненты ВЧ поля становятся убывающими по мере приближении к оси функциями. При этом значения концентрации электронов вблизи оси убывают.