Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления

На правах рукописиКРАЛЬКИНА Елена АлександровнаОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОВКЛАДА В ПРОСТРАНСТВЕННООГРАНИЧЕННЫЕ ВЧ ИНДУКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИПЛАЗМЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯСпециальность 01.04.08 – физика плазмыАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2008РаботавыполненанафизическомфакультетеМосковскогогосударственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный консультант:доктор физико-математических наук,профессор Рухадзе Анри АмвросиевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,член – корреспондент РАН, профессорБатенин Вячеслав Михайловичдоктор физико-математических наук,профессор Коссый Игорь Антоновичдоктор физико-математических наук,профессор Очкин Владимир НиколаевичВедущая организация:Государстенное образовательное учреждениевысшегопрофессионального«Московскийобразованияфизико-техническийинститут(государственный университет)»Защита состоится 18 декабря 2008г.

в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 в МГУ имени М.В.Ломоносова поадресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, физический факультетМГУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан “___”_________2008 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66Доктор физико-математических наукА.П.

ЕршовI. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыОдним из важнейших вопросов организации плазменного технологическогопроцессаявляетсяразработкаоптимальнымидляданногооднородностью,заданнымиисточниковплазмы,технологическогоплотностьюплазмы,обладающихсвойствами,процесса,например,высокойэнергиейзаряженныхчастиц,концентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболееперспективными для применения в промышленных технологиях являются индуктивныеВЧ источники плазмы, так как они позволяют получать высокую плотность плазмы приотносительно невысоком уровне ВЧ мощности, обрабатывать не только проводящие, но идиэлектрические материалы, использовать в качестве рабочих химически активные газы.В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников плазмы: этотрадиционные индуктивные источники плазмы без магнитного поля, где разрядвозбуждается спиральной антенной, а также источники плазмы, усиленные магнитнымполем.

Очевидно, что развитие ионно-пучковых и плазменных технологий неизбежноприводит к повышению требований к возможностям и параметрам источников плазмы,дает новый толчок к переосмыслению концепций и усовершенствованию устройств. Такаяработа может быть выполнена только на основе детального понимания физическихпроцессов, происходящих в индуктивном ВЧ разряде при отсутствии и наличии внешнегомагнитного поля.Одной из центральных задач физики источников плазмы является исследованиезакономерностей энерговклада в плазму разряда и выявление областей параметровплазмы, при которых поглощение ВЧ мощности происходит наиболее эффективно.Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За эти годы накоплен огромныйэкспериментальный материал, построен ряд теоретических моделей, проясняющихмеханизмы поглощения ВЧ мощности.

Вместе с тем обзор литературы показывает, чтовопрос о закономерностях вложения мощности в пространственно ограниченныеиндуктивные источники плазмы низкого давления, особенно при наличии магнитныхполей, соответствующих условиям возбуждения геликоноподобной и квазипродольнойкосой ленгмюровской волн, исследован далеко не полностью. Не изучено в полной меревлияние потерь ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы на свойства разряда.Не потерял актуальности и вопрос о роли емкостной составляющей разряда в балансемощности, поступающей в плазму индуктивного ВЧ разряда.

Это означает, чтоотсутствует последовательнаяфизическаямодель пространственно ограниченныхиндуктивных источников плазмы малой мощности, которая описывала бы физическиемеханизмы поглощения ВЧ мощности в широком диапазоне условий существованияплазмы, проясняла бы влияние внешней цепи, а также емкостной составляющей разрядана величину энерговклада в плазму и ее параметры, как при отсутствии, так и при наличиивнешнего магнитного поля. Восполнить существующий пробел возможно только опираясьна фундаментальные исследования, т.е. эксперименты и численное моделирование,выполненные в широком диапазоне физических параметров, а также на сопоставлениеполученных результатов с выводами теоретических моделей.

Исследование детальнойкартины поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда позволит создатьоснову для разработки перспективных моделей технологических источников плазмы.Целью диссертационной работы является исследование закономерностейвложения мощности в пространственно ограниченные индуктивные источники плазмынизкого давления, нахождение ключевых параметров, позволяющих оптимизироватьвложение мощности в плазму индуктивных ВЧ источников низкого давления и разработкуперспективной модели источника ионов для технологических приложений.Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:•выявления доминирующих механизмов, определяющих поглощение ВЧ мощностиплазмой пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкогодавления без магнитного поля и при наличии внешнего магнитного поля, величинакоторогосоответствуетобластивозбуждениягеликоноподобнойиквазипродольной косой ленгмюровской волн;•изучения особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, при которыхсущественно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепьюразряда;•изучения влияния емкостной составляющей разряда на ввод мощности черезиндуктивный канал и параметры индуктивного ВЧ разряда низкого давления;•построения самосогласованной модели индуктивного ВЧ разряда низкогодавления, учитывающего потери ВЧ мощности во внешней цепи разряда и наличиеемкостного канала ввода мощности;•выявления ключевых факторов, влияющих на эффективность поглощения ВЧмощности плазмой и выработку рекомендаций, необходимых для разработкиперспективных моделей источников плазмы;•разработку перспективных источников ионов.Научная новизна работы состоит в следующем:1.

Выполнено комплексное, систематическое исследование поглощения ВЧ мощностиплазмой пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкого давлениябез магнитного поля. Выполнены экспериментальные исследования и численноемоделирование эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентногосопротивления плазмы) при изменении плотности плазмы, давления и роданейтрального газа,геометрических размеров источников плазмы. Показано, чтоэффективность поглощения ВЧ мощности (эквивалентное сопротивление плазмы)немонотонно зависит от концентрации электроноввследствие конкуренции двухфакторов – роста количества участвующих в поглощении электронов за счетповышения их концентрации и уменьшения количества поглощающих электронов засчет уменьшения ширины скин-слоя.

При давлении меньшем, чем 1мТор, механизмпоглощения мощности носит черенковский характер, при давлениях более 100мТор –столкновительный. Росту эффективности поглощения ВЧ мощности способствуетувеличение давления нейтрального газа, радиуса источника плазмы и выбор рабочейчастоты в соответствии с требуемой плотностью плазмы.2.

Выполнено комплексное, систематическое исследование эффективности и механизмовпоглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченных индуктивныхисточников плазмы низкого давления при наличии внешнего магнитного поля.Показано, что в ограниченных источниках плазмы возможно возбуждение объемных,связанных друг с другом геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровскойволн. Область существования объемных волн сужается при уменьшении длиныисточника плазмы и с ростом давления рабочего газа.

При условиях, соответствующихобласти возбуждения объемных волн, зависимость эффективности поглощения ВЧмощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) от величины магнитногополяноситсущественнонемонотонныйхарактер.Локальныемаксимумыэквивалентного сопротивления соответствуют областям резонансного возбуждениягеликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Поглощение ВЧмощности плазмой при давлениях менее 10мТор определяется главным образомпоглощением квазипродольной волны, доминирующим механизмом диссипацииявляется бесстолкновительное черенковское поглощение. Рост давления выше 10мТорприводит понижению роли черенковского механизма поглощения, к сглаживаниюзависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля и кпонижению абсолютных значений эквивалентного сопротивления.3.

Выполнены систематические экспериментальные исследования параметров плазмыиндуктивного ВЧ разряда низкого давления. Параметры разряда сопоставлены свеличиной мощности, поглощаемой плазмой, при этом выявлен самосогласованныйхарактер режимов разряда, при которых существенны потери во внешней цепи.Показано, что самосогласованный характер разряда проявляется в немонотонномизменении плотности плазмы при изменении величины внешнего магнитного поля,срывах разряда, гистерезисе параметров плазмы при увеличении и уменьшениивеличин внешнего магнитного поля и мощности ВЧ генератора, насыщении плотностиплазмы при увеличении мощности ВЧ генератора.4.

Построена самосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда низкого давления,учитывающая затраты ВЧ мощности на нагрев и поддержание плазмы, а также потериво внешней цепи. На основании модели объяснены наблюдавшиеся особенностиразряда в источниках плазмы.5. Выполнено экспериментальное исследование влияния емкостной составляющейразряда на ввод ВЧ мощности через индуктивный канал и параметры плазмы.Показано, что наличие емкостной составляющей разряда приводит к изменению долимощности, поступающей в разряд через индуктивный канал. Это приводит куменьшению пороговой мощности, при которой происходит переход из моды разрядас низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавномуизменению параметров плазмы в области перехода и исчезновению гистерезиса.6.

Построена самосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда с независимымемкостнымканаломвводамощности.Наоснованиимоделиобъясненынаблюдавшиеся экспериментальные особенности поведения разряда. Показано, чтоналичие емкостного канала приводит к увеличению доли мощности, поступающей вплазму через индуктивный канал при условии, что плотность плазмы соответствуетобласти возрастания эквивалентного сопротивления с увеличением концентрацииэлектронов и уменьшению доли мощности, поступающей в плазму через индуктивныйканал при условии, что плотность плазмы соответствует области убыванияэквивалентного сопротивления.7.