Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 17
1.1 Устройства, работающие на индуктивном В Чразряде 18
1.1.1 Устройства, работающие на индуктивном В Чразряде без магнитного поля 18
1.1.2 Устройства, работающие па индуктивном В Чразряде, помещенном во внешнее магнитное поле 20
1.2 Индуктивный ВЧ разряд без внешнего магнитного поля 25
1.2.1 Проникновение ВЧ полей в плазму 25
1.2.2 Поглощение ВЧ мощности плазмой 29
1.3 Индуктивный ВЧ разряд, помещенный во внешнее магнитное поле,
близкое к электронному циклотронному резонансу 33
1.3.1 Проникновение В Ч полей в плазму и исследование их поглощения З 3
1.4 Индуктивный ВЧ разряд, помещенный во внешнее магнитное поле,
способствующее возбуждению геликонов и волн Трайвелписа-Голда 35
1.4.1 Проникновение ВЧ полей в плазму и анализ механизма поглощения В Ч
мощности плазмой 35
1.5 Выводы 41
1.6 Понятие эквивалентного сопротивления плазмы 42
1.7 Цель работы и постановка задачи 43
Глава 2 Условия экспериментов и методики измерений 44
2.1 Экспериментальные установки 44
2.2 Условия экспериментов 45
2.3 Методики измерений 48
2.3.1 Зондовые измерения 48
2.3.2 Оптические измерения 50
2.3.2.1 Методика определения эффективной температуры быстрых электронов по отношению интенсивности спектральных линий 52
2.3.2.2 Методика определения пространственного распределения плотности плазмы по пространственному распределению интенсивности её свечения 55
2.3.3 Измерение ВЧ тока 56
2.3.4 Определение эквивалентного сопротивления 57
Глава 3 Исследование индуктивного ВЧ разряда при наличии однородного магнитного поля и в его отсутствии 63
3.1 Случай однородного магнитного поля 63
3.1.1 Особенности поведения индуктивного В Чразряда при наложении внешнего магнитного поля 63
3.1.2 Результаты определения параметров плазмы 65
3.1.3 Результаты измерения величины мощности, поглощенной плазмой 68
3.2 Исследование эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного разряда при отсутствии магнитного поля 71
3.2.1 Экспериментальное изучение поведения эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного В Чразряда при отсутствии магнитного поля 71
3.2.2 Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов 74
3.3 Исследование эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного ВЧ
разряда при наличии магнитного поля 76
3.3.1 Зависимость эквивалентного сопротивления от типа антенны 76
3.3.2 Зависимость эквивалентного сопротивления от величины внешнего магнитного поля 79
3.3.3 Зависимость эквивалентного сопротивления от геометрических размеров источника плазмы 81
3.3.4 Зависимость эквивалентного сопротивления от рода газа 82
3.4 Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов 83
3.5 Исследование пространственного перераспределения параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда при наложении внешнего магнитного поля 85
Глава 4 Индуктивный разряд в неоднородном магнитном поле 90
4.1 Результаты определения доли мощности, поглощенной плазмой 92
4.2 Случай расходящегося магнитного поля 96
4.3 Случай магнитного поля с нейтральным контуром 98
4.4 Случай однородного магнитного поля 100
4.5 Случай сходящегося магнитного поля 102
4.6 Обсуждение результатов 103
Глава 5 Разработка перспективной модели ВЧ источника плазмы 106
5.1 Типичная конструкция В Ч источника плазмы. Методика эксперимента. 106
5.2 Результаты экспериментов 108
5.2.1 Обеспечение ввода ВЧ мощности в плазму 108
5.2.2 Получение максимального тока ионов при заданном уровне ВЧ мощности 111
5.2.3 Формирование заданного распределения плотности плазмы и плотности ионного тока в пучке 114
Выводы 119
Список цитируемой литературы 121
Список публикаций по теме диссертации 125
- Устройства, работающие па индуктивном В Чразряде, помещенном во внешнее магнитное поле
- Методика определения эффективной температуры быстрых электронов по отношению интенсивности спектральных линий
- Экспериментальное изучение поведения эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного В Чразряда при отсутствии магнитного поля
- Формирование заданного распределения плотности плазмы и плотности ионного тока в пучке
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию поглощения ВЧ мощности промышленной частоты/г^З.ббМГц индуктивным разрядом, помещенным во внешнее магнитное поле. ВЧ индуктивные плазменные реакторы и источники ионов низкого давления уже в течение нескольких десятилетий являются важнейшей составляющей современных земных и космических технологий. Широкому распространению технических применений индуктивного ВЧ разряда способствуют его основные достоинства -возможность получения высокой концентрации электронов при относительно невысоком уровне ВЧ мощности, отсутствие контакта плазмы с металлическими электродами, небольшие температуры электронов, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Очевидно, что развитие ионно-пучковых и плазменных технологий неизбежно приводит к повышению требований к возможностям и параметрам источников ионов и плазмы, дает новый толчок к переосмыслению концепций и усовершенствованию плазменных устройств. Такая работа может быть выполнена только на основе детального понимания физических процессов, происходящих в индуктивном ВЧ разряде.
Одной из центральных задач физики индуктивного разряда является исследование механизмов поглощения ВЧ мощности плазмой. Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За эти годы накоплен огромный экспериментальный материал, посвященный исследованию свойств разряда, построен ряд теоретических моделей, описывающих физику поглощения ВЧ мощности плазмой. Однако, в последние годы появились публикации, показывающие, что большинство экспериментальных работ содержит систематическую ошибку, связанную с тем, что не учитываются потери ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы. А эти потери, при некоторых условиях, могут быть значительными, что неизбежно приводит к необходимости пересмотра всей ранее собранной базы экспериментальных данных, получения новых данных и проведения их детального сравнения с выводами теории.
В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников плазмы — традиционные источники плазмы без магнитного поля, где разряд возбуждается спиральной антенной, а также источники плазмы, помещенные в магнитное поле. Это источники, основанные на электронном циклотронном резонансе и возбуждении геликонов и волн Трайвелписа-Голда. В двух последних случаях эффекты, связанные с влиянием внешней цепи, практически не исследованы. Кроме того, до сих пор открытыми
остаются вопросы о механизмах поглощения ВЧ мощности плазмой. В связи с этим тема диссертационной работы представляется актуальной.
Устройства, работающие па индуктивном В Чразряде, помещенном во внешнее магнитное поле
Полученные экспериментальные результаты качественно совпадают с теоретическими. Это является еще одним подтверждением того, что при низких давлениях в плазме наряду с геликонами возбуждаются волны Трайвелписа-Голда, основным механизмом поглощения энергии которых является черенковский бесстолкновительный. При давлениях ЮмТор и выше работает столкновительный механизм поглощения энергии.
В четвертой части главы рассмотрено пространственное перераспределение параметров плазмы при изменении внешнего магнитного поля. При полях, больших 1мТл лорморовский радиус электронов в основном объеме плазмы не превосходит 1см, то есть рл «ЯИст, поэтому можно считать, что ввод мощности в плазму в радиальном направлении осуществляется локально. При этом данные о перераспределении плотности плазмы в радиальном направлении позволяют получить информацию об областях наиболее интенсивного ввода ВЧ мощности в плазму. Для этой цели проводились измерения пространственного распределения интенсивности свечения плазмы.
Выполненные эксперименты показали, что увеличение магнитного поля приводит не только к изменению абсолютных значений интенсивности свечения, но и к перераспределению свечения по радиусу источника. Увеличение магнитного поля сначала приводит к увеличению интенсивности свечения плазмы и появлению относительно равномерного распределения плазмы в центральных областях разряда, затем общая интенсивность свечения падает и максимум свечения смещается по радиусу от центра к периферии.
Ранее было установлено, что максимум интенсивности свечения всего объема плазмы соответствует максимуму эквивалентного сопротивления. Таким образом, в области максимума эквивалентного сопротивления ВЧ поля, нагревающие плазму, проникают в центральные части разряда. При магнитных полях, лежащих за максимумом эквивалентного сопротивления проникновение ВЧ полей в центральные части плазмы ухудшается, и вложение ВЧ мощности осуществляется главным образом вблизи стенок источника плазмы. Указанные закономерности были получены при работе с источниками длиной 15 см и выше. При уменьшении длины источников до 10см ввод ВЧ мощности осуществлялся вблизи стенок источника плазмы при всех рассмотренных значениях индукции магнитного поля.
Для анализа полученные экспериментальные данные были сопоставлены с теоретическими [9]. Динамика изменения расчетной радиальной зависимости поглощения ВЧ мощности плазмой при изменении индукции внешнего магнитного поля показала, что в 10см источнике, в отличие от источника длиной 15см, ВЧ поля практически не проникают в центральные части разряда даже в области максимума эквивалентного сопротивления. Таким образом, результаты эксперимента качественно совпадали с расчетами. Это дает основание утверждать, что наблюдаемое в эксперименте перераспределение плотности плазмы связано с закономерностями проникновения геликонов и волн Трайвелписа-Голда в ограниченную плазму низкого давления.
В четвертой главе рассматривается индуктивный разряд в неоднородном магнитном поле. Эксперименты были выполнены с источником плазмы диаметром 30см и длиной 20см, оснащенным торцевой спиральной антенной. Магнитное поле создавалось двумя кольцевыми электромагнитами, расположенными по торцам источника плазмы. Изменение полярности их подключения позволяло менять направление магнитного поля.
Были изучены четыре основные конфигурации магнитного поля: однородное поле, магнитное поле с нейтральным контуром, а также сходящееся и расходящееся магнитные поля.
Для анализа влияния величины и геометрии магнитного поля на характеристики разряда проводились измерения пространственных распределений интенсивности свечения плазмы, концентрации и температуры электронов, а также тока через антенну при различных значениях магнитного поля.
Было показано, что эффективнее всего мощность вкладывается в объем плазмы при однородном магнитном поле. Наиболее равномерное распределение плотности плазмы по радиусу источника обеспечивается в случае магнитного поля с нейтральным контуром. Сходящееся магнитное поле позволяет существенно увеличить концентрацию плазмы вблизи оси источника плазмы. При проведении зондовых измерений в источнике плазмы, имеющем магнитное полем с нейтральным контуром, было получено, что рост тока через магниты приводит к росту температуры в центральном сечении источника, в то время как в сечении у фланца температура понижается.
В пятой главе проанализированы возможности использования внешнего магнитного поля для повышения эффективности индуктивного ВЧ источника ионов и плазменного реактора низкого давления.
Эксперименты были выполнены с источниками ионов радиусом 5см и длиной 5, 10 и 15см. При исследовании источника длиной 15см было получено, что эквивалентное сопротивление плазмы существенно возрастает с ростом магнитного поля от 0 до 8мТл, что приводит к увеличению доли мощности, поглощаемой плазмой. Однако, ионный ток, извлекаемый из плазмы, не следует за изменением вложенной мощности. Более того, есть участки, где рост вложенной мощности сопровождается падением ионного тока. Причиной указанного эффекта является перераспределение плотности плазмы по объему газоразрядной камеры источника ионов, рассмотренное в четвертой главе. Наложение неоднородного магнитного поля на плазму индуктивного источника ионов дало положительные результаты. С помощью неоднородного магнитного поля, обеспечив высокое значение эквивалентного сопротивления и эффективное поглощение ВЧ мощности плазмой, удалось существенно снизить энергетические затраты на получение плазмы с высокой степенью ионизации.
Также было показано, что, изменяя величину внешнего магнитного поля, можно изменять пространственное распределение плотности ионного тока вблизи ионно-оптической системы источника ионов.
Поскольку в настоящее время актуально получение однородности плазмы на большом диаметре, то в качестве примера использования результатов данной работы для разработки эффективных источников плазмы был создан плазменный реактор диаметром 50см. Лучшая однородность при его испытаниях была получена в реакторе длиной 20см с антенной диаметром 42см, на рабочей области диаметром 30см.
В конце диссертации приводятся основные выводы, список цитируемой литературы и список публикаций по теме диссертации.
Методика определения эффективной температуры быстрых электронов по отношению интенсивности спектральных линий
Фазовая скорость волн Трайвелписа-Голда меньше фазовой скорости геликонов, поэтому их энергия хорошо поглощается в плазме. Рассматривая поглощение волн, в работах [7, 29, 76-77] показано, что в области, где справедливо квазистатическое приближение поглощение электростатической волны всегда больше поглощения геликона в случае, если на поверхности источника плазмы существует заряд.
В середине 90-х годов в ряде экспериментальных работ [29,77] был зафиксирован эффект увеличения концентрации плазмы индуктивного ВЧ разряда в области малых магнитных полей. Этот эффект был использован при разработке источников плазмы малой мощности. Анализ работы источников длиной Зсм, выполненный в работе [29] показал, что геликоны не проникают вглубь плазмы и являются поверхностными волнами. Анализ экспериментальных данных, полученных в [29,77] с помощью теоретических представлений [7, 29] позволил сделать вывод, что наблюдаемый экспериментально эффект увеличения плотности плазмы связан с резонансами возбуждения волн Трайвелписа-Голда.
Возбуждение волн Трайвелписа-Голда и механизм поглощения ВЧ мощности был также рассмотрен в серии работ К.Шамрая и др [8, 77-81]. В работе [78] К.Шамрай рассмотрел чисто токовую антенну и показал, что ВЧ мощность вводится в плазму через два канала. Первый канал - это геликоны, которые возбуждаются азимутальными токами, текущими по поверхности источника плазмы и проникают в объем плазмы. Второй канал - это электростатические волны, которые возникают на границе плазмы, т.к. геликоны в отдельности не могут удовлетворить граничному условию на диэлектрической поверхности источника где jr - радиальный ток в плазме. Электростатические волны хорошо поглощаются в плазме и, как показано в [78], могут проникать в объем плазмы только при низких магнитных полях. При высоких магнитных полях волны Трайвелписа-Голда становятся поверхностными. Также как и в работах А.А.Рухадзе [8, 77-81], в работах К.Шамрая показано, что основной вклад мощности в плазму идет через возбуждение электростатической волны.
Как отмечает в статье [82] Ф.Чен, учет волны Трайвелписа-Голда полностью изменил концепцию поглощения ВЧ мощности геликонами. В работах [82, 83] Ф.Ченом и Д.Арнушем был пересмотрен подход к теоретическому рассмотрению геликонной плазмы. В отличие от более ранних работ, где распространение геликонных волн было рассмотрено в пренебрежении инерцией электронов, в работах [82, 83] была учтена масса электрона. Это дало возможность исследовать поглощение ВЧ мощности плазмой, учитывая существование волн Трайвелписа-Голда. Теоретическое исследование было выполнено для случая однородной, длинной, цилиндрической плазмы с проводящими и диэлектрическими границами. В работах [82, 83] для случая проводящих границ было получено, что при высоких магнитных полях, когда cyQe «1, волны Трайвелписа-Голда, связанные с геликонами на границе, быстро убывают при приближении к оси, а геликоны проникают в толщу плазмы. Волны Трайвелписа-Голда быстро поглощаются, поэтому экспериментальные измерения полей в плазме, выполненные ранее, несут в себе информацию о ВЧ полях геликона. Расчеты радиальных распределений полей геликона показали, что учет волн Трайвелписа-Голда вносит незначительные коррективы. Это дало основание авторам [82, 83] утверждать, что результаты, полученные в группе Ф.Чена ранее, достаточно правильно описывают геликонную волну. Однако это не означает, что правильно описывалось поглощение плазмы.
При низких магнитных полях, когда UHQ. І/2, геликоны исчезающе малы. При условии, что co/Qe 1/2 радиальные волновые числа геликона и волны Трайвелписа-Голда близки, и волны сильно связаны между собой. Поля геликона, как и ранее, описываются более простой теорией [6], однако результирующие поля, возбуждаемые в плазме, сильно отличаются от полей геликона.
В случае диэлектрической границы граничные условия могут быть удовлетворены волнами с различающимися значениями волнового числа к, зависящим от плотности плазмы пе и значений юІ2е- Доминирующие значения к определяются здесь условиями возбуждения плазмы. Как отмечалось выше, в ранних работах Ф.Чена [6] было получено, что в плазме реализуется волна с фиксированным значением к. При этом дисперсионное соотношение имело вид (1.28), т.е. предполагалось, что отношение nJB должно оставаться неизменным при изменении концентрации электронов или магнитного поля.
В работах [82,83] Ф.Ченом и Д.Арнушем было рассмотрено влияние неоднородности плазмы на проникновение полей в плазму. Было показано, что в случае когда концентрация плазмы имеет максимум на оси, проникновение полей вглубь плазмы улучшается и нагрев плазмы происходит более равномерно.
В работе [83] для анализа величины мощности, поглощенной плазмой, была использована величина где RA, ХА - активное и реактивное сопротивление плазма-антенна, 1о- амплитуда тока через антенну. Используя понятие сопротивления плазма-антенна Ф.Чен и Д.Арнуш проанализировали эффективность ввода ВЧ мощности антеннами различной длины, профиля концентрации плазмы, поляризации геликона.
Обзор работ, посвященных исследованию индуктивного ВЧ разряда без магнитного поля, показал, что основные физические процессы, происходящие в разряде, исследованы достаточно хорошо. Показано, что при давлениях менее ІмТор поглощение ВЧ мощности происходит главным образом за счет механизма Ландау, при давлениях более ЮмТор доминирующим является столкновительныи механизм поглощения ВЧ мощности. В диапазоне ІмТор - ЮмТор оба механизма вносят сравнимый вклад в поглощение ВЧ мощности. Однако в последние годы появились работы [1-3], показывающие, что большинство экспериментальных работ содержит систематическую ошибку, связанную с неучетом потерь ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы. Как показано в [1-3], существуют условия, при которых потери в антенне могут превышать мощность, вкладываемую в плазму, что не учитывалось в более ранних работах. Последнее требует пересмотра всей базы экспериментальных данных и нахождения закономерностей перераспределения ВЧ мощности между антенной и плазмой в широком диапазоне существования индуктивного разряда.
Работы, посвященные физике индуктивного ВЧ разряда, помещенного во внешнее магнитное поле, свидетельствуют, что эта область также динамично развивается. Однако вопрос о проникновении ВЧ полей в плазму, механизмах поглощения ВЧ мощности плазмой таких источников нуждается в дальнейшем исследовании. Кроме того, не ясно, как зависит эффективность вложения ВЧ мощности от условий поддержания индуктивного разряда, как соотносится эффективность источников, имеющих магнитное поле, с эффективностью ранее рассмотренных индуктивных источников без м агнитного поля.
Экспериментальное изучение поведения эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного В Чразряда при отсутствии магнитного поля
Как видно, расчетные значения эквивалентного сопротивления по абсолютной величине несколько меньше измеренных. Однако качественно экспериментальные и расчетные зависимости Кцл (пе) близки друг к другу. В области малых плотностей плазмы пе экспериментальные значения / также как и расчетные, растут пропорционально Пе. Расчеты показывают, что в области больших концентраций электронов Rn-, проходят через максимум и медленно убывают (как п, [91]) в области больших плотностей плазмы. Рис.3 11 показывает, что в согласии с расчетами зависимость эквивалентного сопротивления от концентрации плазмы насыщается в области относительно больших вложенных в плазму мощностей, соответствующих большим значениям пе. В настоящих экспериментах не удалось достичь концентрации аргоновой плазмы 10 см и выше, поэтому вопрос о наличии падающего участка Rna () пока остается открытым. Стоит отметить, что немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от плотности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с одной стороны поглощение ВЧ мощности растет с ростом концентрации электронов, с другой стороны глубина скин-слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ мощности, убывает с ростом /it
Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы /?//., от концентрации плазмы %. Расчет выполнен для плоских дискообразных источников радиуса 7.5см. Черной линией отмечено Rjh. рассчитанное без учета столкновений. Зеленая -эксперимент. Заштрихованная область - диапазон концентраций, получаемых в эксперименте
Как видно, увеличение давления приводит к существенному повышению эквивалентного сопротивления Этот эффект многократно отмечался, как в теоретических, так и экспериментальных работах. На рис.3.17 для сравнения приведена зависимость эквивалентного сопротивления от плотности плазмы, рассчитанная в бесстолкновительном пределе. Из рисунка видно, что даже при минимальном из рассмотренных давлений р=2мТор столкновительный механизм вносит вклад в поглощение ВЧ мощности. Рост частоты электрон-атомных столкновений с давлением газа приводит к существенному росту Rm- Расчеты показали, что одновременно увеличение давления приводит к смещению максимума функции Rni(ne) в область меньших Пе. Экспериментально наличие максимума в зависимости Rm от Рш наблюдалось при исследовании разряда в ксеноне. Частота электрон-атомных столкновений в ксеноне существенно выше, чем в аргоне и тем более в гелии, вследствие большего, чем в других газах, сечения передачи импульса. Кроме того, для ксеноновой плазмы характерны более высокие, чем для других газов, значения плотности электронов при равных вложенных в плазму мощностях. Поэтому есть основания предполагать, что наблюдавшаяся экспериментально немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления ксеноновой плазмы от вложенной мощности является проявлением падающего участка зависимости ЯПл(«е).
На рис. 3.18-3.20 показаны зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от мощности ВЧ генератора, измеренные при различных значениях магнитного поля в источнике плазмы длиной 20см, при условии возбуждения разряда в аргоне при давлении ЗмТор с помощью антенн различного типа. Как видно, зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от мощности ВЧ генератора существенно зависит от типа антенны. В случае боковой спиральной антенны эквивалентное сопротивление плазмы растет с увеличением мощности генератора, причем увеличение магнитного поля в рассмотренном диапазоне сопровождается монотонным ростом эквивалентного сопротивления. Скачкообразный переход из моды разряда с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью отсутствует. В случае торцевой спиральной антенны увеличение мощности генератора приводит при некотором граничном значении мощности РгР к скачкообразному росту эквивалентного сопротивления плазмы, затем Rm-, пройдя через максимум, убывает с ростом мощности. Рост магнитного поля приводит к увеличению значений эквивалентного сопротивления и смещению значений Р/-р в область больших мощностей. Погрешность определения эквивалентного сопротивления разряда до скачка существенно выше, так как здесь разряд может гореть в емкостной моде. В связи с этим необходимо отметить, что значения Ицл, полученные до скачка, приведены лишь для иллюстрации особенностей поведения разряда и анализа изменения положения РгР при изменении внешних условий.
Поведение эквивалентного сопротивления плазмы в случае возбуждения разряда с помощью антенны типа Nagoya III близко к случаю торцевой спиральной антенны, однако величины НИм полученные при одних и тех же магнитных полях имеют меньшие значения. Кроме того, значения Ru. после скачка значительно слабее убывают с ростом мощности ВЧ генератора. Эквивалентное сопротивление плазмы, возбуждаемой зигзагообразной антенной, в рассмотренном диапазоне магнитных полей мало и лежит вблизи нуля в Значения эквивалентного сопротивления плазмы, полученные при различных значениях мощности ВЧ генератора и индукции внешнего магнитного поля, были использованы для нахождения зависимости Іїця от величины В. В соответствии с данными раздела 3 13 предполагалось, что при фиксированной мощности, вкладываемой в плазму, величина средней по объему плотности плазмы является слабо меняющейся функцией внешнего магнитного поля.
На рис. 3.20 показаны зависимости 1їц:і от магнитного поля, полученные с использованием торцевой, боковой спиральных антенн и антенны типа Nagoya III. Как видно, наибольшие величины Rut удается получить с помощью спиральной антенны, расположенной на боковой поверхности источника плазмы, затем по мере убывания идут величины Ііц.і, полученные со спиральной антенной, расположенной на верхнем фланце источника, с антенной типа Nagoya III и зигзагообразной антенной. В дальнейшем основное внимание было сосредоточено на экспериментах со спиральными антеннами.
Формирование заданного распределения плотности плазмы и плотности ионного тока в пучке
Исследованию плазмы ВЧ разряда и разработке новых устройств на его основе ежегодно посвящены десятки публикаций [1-3], накоплен большой экспериментальный материал, построен ряд моделей разряда [5, 9]. Вместе с тем в литературе практически отсутствуют попытки проанализировать и сравнить между собой плюсы и минусы разработок плазменных устройств, удовлетворяющих требованиям тех или иных современных технологических приложений на основе различных модификаций индуктивного ВЧ разряда, а именно при отсутствии внешнего магнитного поля, при магнитных полях, соответствующих условиям ЭЦР, а также условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда. Результаты, полученные в главах 3 и 4, позволяют отчасти восполнить этот пробел. В настоящей работе в качестве примеров проанализированы возможные следствия использования внешнего магнитного поля различной топологии и величины при разработке индуктивного ВЧ источника ионов и плазменного реактора низкого давления.
Типичный ВЧ источник плазмы (см. Главу 2) состоит из цилиндрической диэлектрической газоразрядной камеры, на внешней поверхности которой расположен индуктор (антенна), по которому течет ток, поддерживаемый ВЧ генератором. Газоразрядная камера циклотронных и геликонных ВЧ источников находится в постоянном магнитном поле, создаваемом магнитными системами, основанными на электро- или постоянных магнитах. Нижний торец источника ионов закрыт перфорированными электродами ионно-оптической системы, позволяющими извлекать из плазмы, существующей в газоразрядной камере, ионы заданной энергии.
Радиус газоразрядных камер ВЧ источников плазмы, как правило, составляет величину R 2- 25CM, длина - L 3 -50CM. В ВЧ источниках ионов диапазон получаемых плотностей тока ионов - 0.5-ь5тА/ст , что приблизительно соответствует диапазону изменения плотности плазмы we 3-1010-K3-10uCM"3 при температуре электронов Ге 3 -8эВ (-ИЭ)-104 К. Давление нейтрального газар , в источниках порядка Ю Тор (т.е. и0 3-10 см" ), степень ионизации — 10" -5-10 , частота столкновений электронов ve vei+ven (1-И0)-106с"\ где vei и Ven - частоты столкновений электронов с ионами и нейтральными частицами, длина свободного пробега электронов и ионов много больше геометрических размеров газоразрядной камеры. В геликонных источниках плазмы индукция внешнего магнитного поля изменяется в диапазоне К20мТл.
Разработка новой перспективной модели ВЧ источника ионов требует решения следующих задач: 1. нахождение условий, при которых плазма хорошо поглощает ВЧ мощность и обеспечивается эффективный ввод мощности, отдаваемой ВЧ генератором в плазму низкого давления; 2. получение максимально возможного тока ионов при заданном уровне мощности, поглощенной плазмой, и расходе рабочего газа; 3. формирование заданного пространственного распределения плотности плазмы и плотности ионного тока в пучке ионов; 4. обеспечение воспроизводимости работы источников плазмы как от эксперимента к эксперименту, так и в составе различных технологических установок. В зависимости от назначения и условий работы разрабатываемого источника ионов требования к решению перечисленных выше задач различаются. Разделим возможные приложения источников ионов на две группы. К первой группе отнесем источники ионов, предназначенные для использования в космических технологиях в качестве ионных двигателей, ко второй - источники, предназначенные для использования в «земных» технологиях, таких как поверхностная модификация материалов, ионное ассистирование и т.д. Очевидно, что воспроизводимость режимов работы источников ионов является необходимым требованием к устройствам обеих групп. Для ионных двигателей, кроме этого, требуется успешное решение первых двух задач, обеспечивающих энергетическую эффективность их работы. Для источников ионов, предназначенных для промышленных технологий, большое значение имеет пространственное распределение плотности ионов в пучке (см. выше задачу 3). Немаловажное значение имеет и возможность работы с химически активными газами. В связи с этим в настоящей работе были рассмотрены плюсы и минусы использования внешнего магнитного поля при разработке источника ионов на ксеноне, используемом в качестве рабочего тела ионных двигателей. При этом основное внимание уделялось анализу решений задач 1, 2 и 4. Затем, используя в качестве рабочего тела аргон и кислород, было проанализировано влияние магнитного поля на пространственное распределение плазмы вблизи ионно-оптической системы (задача 3). 1. Проводились измерения зависимости эквивалентного сопротивления плазмы и ионного тока от мощности, поглощенной плазмой при различных расходах ксенона в источниках ионов диаметром 10см и длиной 5, 7, 10, и 15 см от величины магнитного поля. Использовалось однородное магнитное поле. 2. Проводилось исследование влияния неоднородности магнитного поля на параметры источника ионов. 3. Проводились исследования пространственного распределения плотности плазмы в источниках ионов, работающих на аргоне и кислороде при различных величинах и конфигурациях магнитного поля.
На рис.5.1, 5.2 представлены зависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля в источниках ионов с длиной газоразрядной камеры 15 и 10см. Как видно, значения эквивалентного сопротивления в целом имеют высокие значения, однако Rm измеренные в разряде без магнитного поля существенно ниже полученных при магнитных полях, соответствующих области возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда. Обращает на себя внимание и то, что в источнике длиной 10 и 7см эквивалентное сопротивление уменьшается с ростом вложенной мощности. Такой результат был получен только с использованием ксенона. Измерения показали, что с уменьшением длины газоразрядной камеры величина эквивалентного сопротивления падает. Выпадает из общей тенденция одна точка, полученная с источником 5 см. Однако надо отметить, что систематические измерения зависимости эквивалентного сопротивления от магнитного поля в источниках длиной 5см и 7см не удалось провести из-за сильной нестабильности работы источников.
Как неоднократно указывалось ранее, ВЧ мощность, отдаваемая ВЧ генератором во внешнюю цепь, поглощается в двух каналах: элементах внешней цепи, обладающих активным сопротивлением, и плазме. Обзор экспериментальных работ [2, 94-97], посвященных исследованию эффективности ввода ВЧ мощности в плазму, показывает, что эффективное сопротивление внешней цепи Клнт, измеренное в различных постановках эксперимента, изменяется в пределах 0,2 -ЗОм. В настоящей работе ЯАНШ составляло величину порядка ЗОм.
