Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 24
1.1. Индуктивный ВЧ разряд 24
1.2. Индуктивный ВЧ разряд с внешним магнитным полем 41
1.3. Постановка задачи 47
Глава 2. Методика измерений и численных расчетов 48
2.1. Схема экспериментальной установки 48
2.2. Методика экспериментов 51
2.3. Методика численных расчетов 62
Глава 3. Влияние внешних условий на параметры плазмы ВЧ индуктивного технологического источника плазмы 73
3.1. Параметры плазмы индуктивного ВЧ разряда в области скин-слоя 73
3.2. Результаты измерения эквивалентного сопротивления плазмы 90
3.3. Результаты расчетов эквивалентного сопротивления плазмы 97
3.4. Возможности управления параметрами плазмы ВЧ индуктивного технологического источника плазмы путем изменения внешних параметров разряда 102
Глава 4. Влияние внешних параметров на пространственное распределение концентрации и эффективной температуры электронов 103
4.1. Особенности индуктивного ВЧ разряда, наблюдаемые при изменении давления и рода газа 103
4.2. Длины свободного пробега X и релаксации энергии Х электронов 106
4.3. Пространственное распределение параметров плазмы 111
4.4. Результаты математического моделирования индуктивного ВЧ разряда РІС методом 122
4.5. Возможности управления пространственным распределением параметров плазмы 138
Глава 5. Влияние внешнего магнитного поля на параметры плазмы индуктивного ВЧ разряда 139
5.1. Влияние величины индукции внешнего магнитного поля на эффективность вложения ВЧ мощности в плазму 139
5.2. Влияние величины индукции внешнего магнитного поля на пространственное распределение ионного тока насыщения 141
5.3. Влияние величины индукции внешнего магнитного поля на пространственное распределение концентрации и эффективной температуры электронов .146
Основные результаты и выводы 154
Благодарности 156
Список цитированной литературы 157
Список публикаций по теме диссертации 170
- Индуктивный ВЧ разряд с внешним магнитным полем
- Возможности управления параметрами плазмы ВЧ индуктивного технологического источника плазмы путем изменения внешних параметров разряда
- Пространственное распределение параметров плазмы
- Влияние величины индукции внешнего магнитного поля на пространственное распределение ионного тока насыщения
Введение к работе
Актуальность темы
Индуктивный ВЧ разряд низкого давления является неотъемлемой частью многочисленных земных и космических технологий. Разряд используется в полупроводниковой промышленности при производстве микросхем, в качестве активной среды космических электрореактивных двигателей, источников света, в процессах поверхностной модификации материалов, напыления и осаждения покрытий.
В последние годы одной из основных тенденций развития микроэлектроники является уменьшение размеров разрабатываемых устройств. Само название области науки и техники «микроэлектроника» все чаще заменяется словом «наноэлектроника», фиксируя изменение характерных размеров создаваемых структур. Процесс миниатюризации требует использования новых материалов, гибкого и тонкого управления технологическими процессами производства микросхем. Кроме того предполагается, что устройства будущего будут изготавливаться на пластинах всё больших размеров. Таким образом, развитие технологий микро- и наноэлектроники требуют создания гибко управляемых плазменных рабочих процессов, позволяющих получать протяженные участки равномерной плотной плазмы. Актуальными задачами настоящего и будущего являются также понижение энергии ионов и уменьшение потока фотонов в разряде, вызывающих повреждения создаваемых структур.
Использование индуктивного ВЧ разряда в качестве активной среды электрореактивных двигателей требует реализации условий его поддержания, при которых достигается максимальный ток ионов при минимальных энергозатратах и расходе рабочего газа. Немаловажным требованием является и гибкое управление параметрами двигателя. Актуальными задачами настоящего и будущего физики и техники ВЧ индуктивных ионных двигателей являются: обеспечение максимального вложения ВЧ мощности, отдаваемой ВЧ генератором во внешнюю цепь, генерация плотной плазмы при минимальных энергозатратах, получение протяженного участка однородной плазмы вблизи ионно-оптической системы.
Одной из важных задач нахождения энергоэффективных режимов ионных двигателей является минимизация затрат энергии на возбуждение атомов по сравнению с энергозатратами на ионизацию атомов рабочего газа электронами. Напротив, для энергоэффективных режимов горения ВЧ индуктивных источников света необходимо создать условия, при которых наряду с поддержанием процесса ионизации газа будет обеспечен максимальный выход излучения. Соотношение между скоростями ионизации и возбуждения атомов в разряде определяется видом энергетического распределения электронов. В связи с этим актуальной задачей является нахождение факторов, позволяющих управлять видом функции распределения электронов. В целом, практическое использование разряда, развитие и оптимизация характеристик источников плазмы (ИП), предназначенных для реализации плазменных технологий, ставят задачу нахождения ключевых внешних факторов влияния на разряд, позволяющих управлять его основными параметрами, а именно: концентрацией и функцией распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), пространственным распределением указанных величин, способностью плазмы поглощать ВЧ мощность. Несмотря на повышенный интерес к исследованиям в этом направлении, на данный момент вопрос об основных внешних
параметрах и механизмах, влияющих на параметры индуктивного ВЧ разряда, изучен далеко не полно и остается открытым, что позволяет считать тему диссертационной работы актуальной.
Цель работы
Изучение на основании экспериментальных исследований и численного моделирования влияния давления в диапазоне (1-Ю"3 -1 Тор) и рода газа, мощности ВЧ генератора (0 - 500 Вт), рабочей частоты (2, 4 и 13.56 МГц), величины индукции внешнего магнитного поля (0 - 50 Гс), емкостной составляющей разряда на пространственное распределение и величину параметров плазмы, закономерности энерговклада в плазму технологического ВЧ индуктивного источника плазмы, работающего на инертных газах (гелии, неоне, аргоне и криптоне).
Выделение основных внешних параметров и механизмов, влияющих на пространственное распределение и величину параметров плазмы, энерговклад в плазму технологического ВЧ индуктивного источника плазмы, работающего на инертных газах.
Научная новизна работы
Впервые выполнено комплексное систематическое исследование параметров плазмы: энергетического распределения, эффективной температуры, концентрации электронов — в технологическом ВЧ индуктивном источнике плазмы в широком диапазоне давлений 0.1—1000 мТор. Обнаружены немонотонные зависимости концентрации и эффективной температуры электронов от давления.
Продемонстрировано, что в индуктивном ВЧ разряде в аргоне и криптоне частота упругих столкновений электронов с атомами в диапазоне давлений 0.01 - 0.2 Тор ниже, чем в гелии. Эффект является результатом того, что энергия основной массы медленных электронов в аргоне и криптоне лежит в области локального минимума сечений упругого рассеяния электронов на атомах.
На основании экспериментальных данных и численного моделирования впервые проанализировано влияние емкостной составляющей, рабочей частоты, давления и величины внешнего магнитного поля на эффективность поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда.
Найдены области резонансного поглощения ВЧ мощности плазмой при наличии внешнего магнитного поля. Показано, что в области резонанса ВЧ поля проникают вглубь плазмы и приводят к нагреву электронов в центральных частях разряда.
Выделены основные факторы, влияющие на величины концентрации, эффективной температуры электронов, пространственное распределение этих параметров.
Достоверность полученных результатов
Экспериментальные результаты получены на различных экспериментальных установках с привлечением нескольких независимых диагностических методик.
Измерения выполнялись на сертифицированном оборудовании с применением современных методик обработки и сбора данных. Полученные результаты сопоставлены с результатами других групп исследователей. Выполнено численное моделирование параметров разряда, которое сопоставлено с экспериментом. Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.
Практическая и теоретическая ценность работы
Полученные результаты могут служить основой для объяснения физических свойств индуктивного и гибридного ВЧ разрядов в инертных газах, построения полной физической модели разрядов. Кроме того, результаты работы позволяют выделить основные внешние параметры, влияющие на характеристики плазмы технологических ВЧ индуктивных источников плазмы. Результаты, представленные в диссертации, могут быть востребованы при разработке и оптимизации плазменных реакторов для полупроводниковой промышленности, ВЧ электрореактивных двигателей, источников ионов и света.
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, эквивалентного сопротивления плазмы) технологического индуктивного ВЧ источника плазмы в диапазонах давления 1-Ю"3 - 1 Тор инертных газов (гелия, неона, аргона или криптона), мощности ВЧ генератора 0 - 500 Вт при частотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 - 50 Гс.
Результаты численного моделирования физических процессов в индуктивном ВЧ разряде.
Результаты анализа влияния емкостной составляющей, рабочей частоты, давления и рода инертного газа, величины внешнего магнитного поля на величины и пространственное распределение параметров плазмы, эффективность поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда.
Апробация диссертации
Основные результаты работы обсуждались на семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ и докладывались на следующих конференциях:
-
Международная конференция «Физика высокочастотных разрядов». Казань, 2011.
-
XXXVIII международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2011.
-
XXXIX международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2012.
4. 11-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2012». Москва,
2012.
-
XL международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2013.
-
Научная конференция «Ломоносовские чтения -2013». Москва, 2013.
-
4th Workshop on Radio frequency Discharges. La Presqu'Tle de Giens, France, 2013.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК России и 12 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 проведение эксперимента, обработка, анализ экспериментальных данных, численное моделирование. При участии автора проводилась интерпретация результатов численного моделирования эксперимента.
Структура и объем диссертации
Индуктивный ВЧ разряд с внешним магнитным полем
В заключение данного раздела стоит обратиться к вопросу о роли емкостного канала ввода ВЧ мощности в индуктивном разряде. Обсуждение роли емкостной составляющей в поджиге и поддержании индуктивного ВЧ разряда имеет длительную историю [25, 31, 93-95]. Дж. Дж. Томсон [25] связывал возникновение и поддержание индуктивного ВЧ разряда с вихревым электрическим полем, индуцированным при протекании электрического тока по антенне. Однако Д. Таунсенд и Р. Дональдсон [96] считали, что индуктивный разряд поддерживается потенциальными полями, возникающими из-за наличия разности потенциалов между витками антенны. В последующих экспериментальных работах К. Мак-Киннон [93] показал, что существуют два режима горения разряда, с низкой и высокой плотностью плазмы, которые затем были названы Г.И. Баббатом [94] Е- и Я-разрядами, соответственно. В -моде, которая характеризуется низкой плотностью плазмы, разряд главным образом поддерживается потенциальными электрическими полями. В Я-моде с высокой плотностью в основном вихревые поля участвуют в поддержании разряда. В работе [95] М. Тернером и М. Либерманом представлены результаты подробного изучения особенностей и условий перехода разряда из Е- в Я-моду.
При практической реализации устройств на основе ВЧ индуктивного разряда нельзя избежать возникновения паразитных емкостей между витками антенны и плазмой. В результате их существования в индуктивном ВЧ разряде всегда формируется емкостной канал ввода ВЧ мощности. Это приводит к изменению величины текущего через антенну тока, параметров плазмы, и, как следствие, изменению эквивалентного сопротивления плазмы и доли мощности, поступающую в плазму через индуктивный канал. При изучении индуктивного ВЧ разряда традиционно считается, что емкостная составляющая ухудшает характеристики разряда и отрицательно сказывается на эффективности вложения ВЧ мощности, а также усложняет проведение диагностики параметров ВЧ разряда, поэтому емкостную составляющую разряда стараются уменьшить различными способами [6, 12, 34, 72, 86, 88, 97]. Однако в работах [37, 39, 41, 42, 98, 115, 131, 132] для изучения влияния емкостной составляющей на особенности ввода ВЧ мощности в плазму и характеристики индуктивного разряда использовался альтернативный подход. Для этого емкостная связь между антенной и плазмой намеренно усиливалась путем размещения обкладок конденсатора на поверхности источников плазмы в дополнение к индуктору, а индуктивная связь поддерживалась неизменной (см. рис.1.11).
На первом этапе для изучения влияния емкостной составляющей обкладки конденсатора и индуктор подключались независимо друг от друга, т.е. каждый к своему генератору через отдельные системы согласования. Таким образом, мощность ВЧ генератора, подключенного к обкладкам конденсатора, можно было изменять независимо от мощности ВЧ генератора, к которому подключалась антенна.
На втором этапе индуктор и обкладки конденсатора параллельно подсоединялись к одному общему генератору. В дальнейшем такая модификация индуктивного разряда с емкостной компонентой была названа гибридным разрядом [131, 132].
В работах [37, 39] экспериментально показано, что наличие независимого емкостного канала приводит к понижению критической мощности Р/, поступающей в разряд через индуктивный канал, при которой происходит переход разряда из Е- в Я-моду. Чем больше доля ВЧ мощности, поступающая в разряд через емкостной канал, тем ниже становится Р/. Кроме того, переход из Е- в Н- становится более плавным. В случае параллельного подсоединения антенны и обкладок конденсатора также наблюдается изменение доли мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал, но изменение Р/ выражено значительно слабее. Результаты математического моделирования разряда с независимой емкостной компонентой [37, 39] качественно совпадают с экспериментальными данными и подтверждают вывод о том, что наличие емкостного канала влияет на долю мощности, поступающую в разряд через индуктивный канал. Результаты, полученные в работе [98], показали, что наличие индуктивного канала разряда, в свою очередь, уменьшает величину приэлектродного скачка потенциала. Таким образом, появляются возможности формирования в приэлектродных слоях пространственного заряда пучков ионов и обогащения плазмы быстрыми электронами с заданными энергиями.
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 [4, 30, 36, 38, 43, 47, 99-113]. Известно, что при условиях, когда омический нагрев плазмы не эффективен, широко используются циклотронные волны (колебания вблизи циклотронной частоты электронов Пе, K Qe)
Дисперсионные уравнения, описывающие поперечные обыкновенную и необыкновенную циклотронные волны, распространяющиеся вдоль магнитного поля, имеют вид: где La - ленгмюровская частота, Qa - циклотронная частота Vja - тепловая скорость заряженных частиц, a - сорт заряженных частиц.
В работе [47] рассматривается поглощение этих волн в случаях, когда частота со лежит внутри со- е « кУте и вне со- е » кУте линии резонансного поглощения.
Внутри линии резонансного поглощения при со- е « кУте циклотронные волны оказываются сильно затухающими, имеет место аномальное скинирование поперечного поля и глубина проникновения волн в плазму в бесстолкновительном пределе определяется формулой, совпадающей с выражением для аномального скин-слоя (см. формулу (1.6)):
Возможности управления параметрами плазмы ВЧ индуктивного технологического источника плазмы путем изменения внешних параметров разряда
Результаты расчетов показали (рис. 3.38), что роль емкостной составляющей гибридного ВЧ разряда усиливается в области давлений 1 мТор и ниже и в области давлений 10 мТор и выше. Наличие емкостной составляющей разряда приводит к росту эквивалентного сопротивления плазмы (рис. 3.39). Этим объясняется, по-видимому, отсутствие падающего участка зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от давления в тяжелых инертных газах в области давлений 100 мТор и выше.
Расчеты показали, что при изменении внешних условий разряда происходят самосогласованное изменение концентрации электронов, активного сопротивления плазмы и емкостной составляющей разряда, а также потока энергии, выносимой ионами на стенки.
Области максимума концентрации электронов соответствуют областям, где значения U минимальны и вложение мощности в разряд идет преимущественно через индуктивный канал. Последнее достигается при условии близости рабочей частоты и частоты столкновений электронов с атомами.
Возможности управления параметрами плазмы ВЧ индуктивного технологического источника плазмы путем изменения внешних параметров разряда
Результаты исследований, представленных в настоящей главе, проявили существенную зависимость параметров плазмы: концентрации и эффективной температуры электронов — от внешних параметров разряда: рода и давления инертного газа, мощности ВЧ генератора, рабочей частоты, наличия емкостной составляющей разряда. В зависимости от требований технологической задачи возможна оптимизация параметров плазмы путем изменения внешних параметров разряда. Так, использование рабочей частоты 2 МГц, аргона или криптона в качестве рабочего газа позволяет получать максимальную плотность плазмы при давлениях менее 30 мТор. При более высоких давлениях: 30 - 300 мТор целесообразно использование неона и рабочей частоты 13.56МГц, позволяющих получить плазму с существенно более высокой плотностью, чем при других внешних параметрах.
Одним из основных факторов, влияющих на параметры плазмы технологического источника плазмы, является емкостная составляющая разряда, возрастающая с увеличением рабочей частоты. Наличие емкостной составляющей разряда, с одной стороны, приводит к уменьшению плотности плазмы, а с другой — к увеличению эффективной температуры электронов, что может привести к оптимизации технологических процессов плазмохимии. Соотношение между емкостной и индуктивной составляющей разряда определяется величинами индуктивности антенны и емкости между антенной и плазмой, а также металлическими элементами конструкции технологических источников.
На рис. 4.1 представлены фотографии индуктивного ВЧ разряда в неоне (а, б) и аргоне (в, г), иллюстрирующие изменение характера горения разряда при увеличении давления аргона. Как видно, при рабочем давлении порядка 1 мТор разряд занимает весь объем источника плазмы. По мере роста давления до величин порядка 10 мТор интенсивность свечения в центральных частях разряда возрастает по сравнению с периферией. При увеличении давления до 100 мТор и выше общий вид разряда изменяется: свечение плазмы в центральных областях источника уменьшается и концентрируется вблизи витков индуктора, как в продольном, так и в радиальном направлении. Дальнейший рост давления, как правило, сопровождается понижением интенсивности свечения плазмы, появлением светящегося слоя, характерного для емкостного ВЧ разряда, у нижнего металлического фланца источника плазмы и исчезновению разряда. В ряде случаев в области слоя возникают бегущие в азимутальном направлении страты. При давлениях порядка 1 Тор и выше горение разряда при мощностях ВЧ генератора, не превышающих 500 Вт, оказывается невозможным. Исключением является разряд в неоне, который существует в значительно более широком диапазоне давлений.
Пространственное распределение параметров плазмы
На рис. 4.9 представлены зависимости второй производной зондового тока от потенциала зонда, измеренные в центре и у стенок источника плазмы при изменении давления аргона в диапазоне 0.81-200 мТор. Мощность ВЧ генератора Pgen составляла 300 Вт, рабочая частота - 2 МГц. Показанные на рис. 4.9 зависимости получены численным двойным дифференцированием зондового тока. Как видно, при давлениях аргона 0.81 и 3 мТор энергетические распределения в области быстрых электронов близки друг к другу, в центральных частях разряда наблюдается избыток медленных электронов, запертых стационарными электрическими полями. Полученные результаты характерны для режима нелокальной кинетики электронов, так как энергетические распределения являются функциями полной, а не кинетической энергии электронов. Качественно близкие результаты были получены в работах [50, 53-55, 65, 67-70, 72, 88-90] в экспериментах с индуктивным разрядом, возбуждаемым планарной антенной. В работах [50, 55, 56] отмечается, что дополнительным источником медленных электронов в центральных областях плазмы может быть сила Миллера [47, 50, 55, 56, 91], выталкивающая электроны из области сильных ВЧ полей. -#-г= 19см \ С С )
При давлении аргона выше, чем 0.01 Тор, когда длина свободного пробега электронов становится сравнимой с радиусом источника плазмы, нелокальный характер ФРЭЭ утрачивается, энергетическое распределение электронов становится функцией их кинетической энергии, причем в области перехода от нелокального к локальному характеру в центре и периферийных частях разряда энергетические распределения близки друг к другу. При давлении 0.2 Тор, когда длина релаксации энергии электронов становится сравнимой с толщиной скин-слоя, в центральной части разряда эффективная температура электронов становится ниже, чем на периферии.
На рис. 4.10 представлены ФРЭЭ, измеренные в неоне. Обращает на себя внимание, что в неоне при низких давлениях и малых мощностях ВЧ генератора существует немонотонная ФРЭЭ. Данный эффект может быть связан с наличием емкостной составляющей разряда. Аналогичный результат был получен при низких давлениях в экспериментах с гелием. Рост мощности ВЧ генератора (см. рис. 4.10), сопровождаемый ростом концентрации электронов, частоты электрон-электронных столкновений и уменьшением емкостной составляющей разряда, приводит к исчезновению немонотонности энергетического распределения и приближению ФРЭЭ к максвелловскому распределению.
Спектральные исследования, выполненные в гелии при давлениях 1-ЮмТор, указывают на существование радиальной неоднородности энергетического распределения электронов. На рис. 4.11 представлено радиальное распределение отношения интенсивности свечения спектральных линий Неї 5016Аи4713А. Выбор спектральных Неї 5016 А и 4713 А определился тем, что они обладают сильно различающимся ходом оптических функций возбуждения, и их отношение чувствительно к изменению энергетического распределения электронов в области больших энергий.
Сравнение экспериментальных величин отношения спектральных линий Неї 5016 А и 4713 А с калибровочными значениями, рассчитанными в предположении о наличии макселловского распределения электронов по энергиям в плазме (рис. 2.13 (а)), показало сильное расхождение экспериментальных и расчетных значений. В связи с этим было сделано предположении о наличии, как минимум, еще одной быстрой группы электронов с энергией, превышающей 20эВ. Для проверки сделанного предположения была рассчитана дополнительная градуировочная кривая (рис. 4.12) в предположении, что энергетическое распределение электронов в области энергий более 20эВ представляет собой пучок монокинетических электронов. Оказалось, что согласие между экспериментальными и расчетными данными может быть достигнуто в предположении, что в разряде помимо медленных электронов, электронов с энергией 10-20эВ существует ещё одна группа быстрых электронов с энергиями 60-80 эВ (рис. 4.12).
Рис. 4.11 показывает, что энергия быстрых электронов увеличивается при приближении к стенкам источника плазмы. Возрастание средней энергии электронов при приближении к стенкам источника плазмы было обнаружено также в работе [70] с помощью зондового метода. Причина обеднения центральных частей разряда быстрыми электронами в индуктивном ВЧ разряде рассмотрена в теоретической работе [85]. Обеднение объясняется тем, что на быстрые электроны, которые ускоряются азимутальным полем в пределах скин-слоя, действует центробежная сила [85], препятствующая их перемещению к центральным областям разряда. Следует отметить, что описанный механизм работает при условии Л » R .
Рассмотрим далее, как соотносятся величины концентрации и эффективной температуры электронов nesk и Те , измеренные вблизи стенок источника плазмы, со значениями пес и Тес, существующими в центральных областях разряда.
На рис. 4.13 - 4.16 представлены зависимости концентрации и эффективной температуры электронов nesk, Пес и Tesk, Тес от давления, измеренные в гелии, неоне, аргоне и криптоне при фиксированных мощностях ВЧ генератора. Можно видеть, что при давлениях p pi концентрация электронов у стенок ниже, чем в центре. В области давлений p pi концентрации электронов на периферии и в центре источника плазмы сравниваются и вместе уменьшаются с ростом р. Значения рі по порядку величины близки к 100 мТор, они зависят от мощности ВЧ генератора и величины атомного номера инертного газа 4. Чем тяжелее инертный газ, тем меньшее значение принимает давление PL Напомним, что величина давления порядка 100 мТор является граничной величиной, при которой длина энергетической релаксации электронов сравнивается с толщиной скин-слоя. Неудивительно при этом, что в области давлений p Pl эффективная температура электронов в центре становится равна или ниже, чем на периферии. Наиболее отчетливо понижение эффективной температуры электронов в центре разряда зафиксировано в случае аргона. В других инертных газах при большинстве мощностей ВЧ генератора разница в измеренных температурах электронов на периферии и в центре разряда не выходит за пределы погрешности измерений.
Рассмотрим поведение эффективной температуры электронов в области давлений р рь Здесь для описания поведения Tesk, Тес удобно ввести еще одно граничное давление р2. В области давлений p p2 pi эффективная температура электронов вблизи стенок выше, чем в центре источника плазмы. Далее в диапазоне давлений p2 p pi эффективные температуры электронов в центральной части разряда и в области скин-слоя совпадают в пределах погрешности эксперимента. Анализ рисунков 4.13 - 4.16 показывает, что значения р2 так же как pi зависят от мощности ВЧ генератора и от рода газа. Так, величины р2, лежащие в диапазоне 1 - 10 мТор, убывают с ростом мощности ВЧ генератора и увеличением атомного номера инертного газа. Другими словами, рост мощности ВЧ генератора и увеличение атомного номера рабочего газа приводят в области p pi к выравниванию электронной температуры по радиусу источника плазмы (см. рис. 4.17). Это можно объяснить уменьшением направленной азимутальной скорости электронов вследствие увеличения частоты столкновений. Напомним, что при давлениях 1 - ЮмТор длина свободного пробега электронов сравнивается с радиусом источника плазмы.
Влияние величины индукции внешнего магнитного поля на пространственное распределение ионного тока насыщения
В главе 4 было показано, что существенное влияние на пространственное распределение параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда оказывают соотношения между характерным геометрическим размером источника плазмы, толщиной скин-слоя, длиной свободного пробега электронов и длиной релаксации энергии электронов. Последние две величины определяются частотами столкновений электронов, которые, в свою очередь, зависят от давления газа и энергетического распределения электронов. При наложении на разряд внешнего магнитного поля появляется еще один параметр, оказывающий существенное влияние на пространственное распределение параметров плазмы, а именно ларморовский радиус электронов. На рис.5.5 показаны значения ларморовского радиуса электронов с энергией, лежащей в диапазоне 1 - 100 эВ.
Как видно, уже при магнитном поле 5 Гс ларморовский радиус электронов оказывается существенно ниже радиуса источника плазмы. Более того, ларморовский радиус оказывается сравнимым с характерным размером скин-слоя. Последнее говорит о том, что наложение внешнего магнитного поля приводит к смене нелокального режима ввода ВЧ мощности локальным при низких давлениях, когда длина свободного пробега электронов существенно превышает не только толщину скин-слоя, но и радиус источника плазмы. Это открывает широкие возможности управления пространственным распределением параметров плазмы, т.к наложение внешнего магнитного поля приводит к существенным изменениям области локализации ВЧ полей в плазме.
Одним из наиболее значимых для технологических применений параметров является пространственное распределение ионного тока насыщения i+. Рассмотрим поведение і+ в центральном сечении источника плазмы при изменении индукции внешнего магнитного поля В. Результаты измерений, выполненные при давлении 4 мТор и рабочих частотах 2, 4 и 13.56 МГц, показаны на рис.5.6.
1. На основании систематического экспериментального исследования и численного моделирования физических процессов в технологическом ВЧ индуктивном источнике плазмы показано, что вложение ВЧ мощности в плазму разряда осуществляется по двум каналам: основному — индуктивному, формируемому текущим по индуктору током, приводящим к возбуждению вихревых ВЧ полей, и сопутствующему — емкостному каналу, возникающему в результате существования паразитной емкости между витками индуктора и плазмой. Показано, что при одной и той же мощности ВЧ генератора зависимость концентрации и эффективной температуры электронов в области скин-слоя от давления является немонотонной. Концентрация электронов максимальна, а эффективная температура электронов минимальна в диапазоне давлений 0.01 -0.1 Тор. Области максимума концентрации электронов соответствуют областям наибольшего вложения мощности через индуктивный канал и достигаются при условии близости рабочей частоты и частоты столкновений электронов с атомами. В области больших давлений происходят самосогласованное уменьшение концентрации электронов, рост активного сопротивления плазмы, увеличение емкостной составляющей разряда и потока энергии, выносимой ионами на стенки. При условиях преобладания индуктивной составляющей разряда понижение концентрации электронов в области больших давлений происходит за счет роста потерь энергии на излучение по сравнению с затратами на ионизацию.
2. Экспериментально показано, что частота столкновений электронов с атомами в диапазоне з-ю6 - 3.10V1 однозначно определяет эквивалентное сопротивление плазмы, которое при фиксированной плотности электронов не зависит от рода инертного газа. При частотах столкновений более MOV1 значительный вклад в эквивалентное сопротивление вносит емкостная составляющая разряда, влияние которой зависит от рода инертного газа. Наибольший вклад при одной и той же частоте столкновения наблюдается в тяжелых инертных газах.
3. Рост мощности ВЧ генератора приводит к увеличению концентрации электронов, понижению активного сопротивления плазмы, усилению индуктивной составляющей разряда и уменьшению эффективной температуры электронов. При падении эффективной температуры до величин, близких к 1эВ, в аргоне и криптоне вследствие эффекта Рамзауэра уменьшается частота упругих столкновений электронов с атомами, растут длина свободного пробега и длина релаксации энергии электронов. Так, при мощностях ВЧ генератора более 300 Вт в диапазоне давлений 0.01 - 0.2 Тор частота упругих столкновений электронов с атомами в разряде в газах, где проявляется эффект Рамзауэра, становится ниже, чем в гелии.
4. Основным внешним параметром, влияющим на пространственное распределение концентрации и эффективной температуры электронов, является давление нейтрального газа, от которого зависит соотношение между геометрическим размером источника плазмы, длиной свободного пробега и длиной релаксации энергии электронов. При давлениях, не превышающих 10 мТор, функции распределения электронов по энергиям, полученные зондовым методом, являются неравновесными. Данные, полученные с помощью стандартной спектральной диагностики определения эффективной температуры электронов по отношению интенсивностей спектральных линий, указывают на присутствие в области скин-слоя высокоэнергетичных электронов. Предположение о существовании высокоэнергетичных электронов в индуктивном ВЧ разряде подтверждено результатами численного моделирования, которые показали, что при низких давлениях под действием азимутальных ВЧ полей в области скин-слоя формируется направленное азимутальное осцилляторное движение электронов. При давлении 0.2 Тор, когда длина релаксации энергии электронов становится сравнимой с толщиной скин-слоя, в центральной части разряда эффективная температура электронов становится ниже, чем на периферии. Наиболее однородное радиальное распределение ионного тока насыщения удается получить при давлении аргона порядка 0.1 Тор. Максимальная область однородности плазмы, полученная в настоящих экспериментах, составляет величину порядка 20 см.
5. При наложении внешнего магнитного поля экспериментально были обнаружены области резонансного поглощения ВЧ мощности, соответствующие условиям резонансного возбуждения связанных между собой геликонов и косых ленгмюровских волн. В области резонансов эффективная температура электронов в центральных областях источника плазмы выше, чем на периферии. Вне области резонанса эффективная температура выше вблизи стенок. Численное моделирование показывает, что в области резонанса ВЧ поля проникают вглубь плазмы и приводят к нагреву электронов в центральных областях разряда. Максимальная область однородности плазмы получена при давлениях аргона 0.1 -4 мТор и составляет величину порядка 30 см.
