Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления, страница 5

При давлении 10мТор и вышемаксимумы, как правило, сглаживаются.Наряду с общими закономерностями следует отметить и своеобразие кривых,полученных с использованием различных антенн. В случае спиральных антенн наложениемагнитного поля сначала приводит к значительному росту зондового тока иинтенсивности свечения плазмы, затем, пройдя через серию локальных максимумов,величины ip, I падают. При использовании торцевой спиральной антенны и антенныNagoyaIII в экспериментах были обнаружены срывы разряда при магнитных полях,превышающих критическое значение Bкр. Измерения показали, что величина BкрBBчувствительна к изменению условий экспериментов, а именно изменению размераисточника плазмы, расхода рабочего газа (давления в газоразрядной камере), мощностиВЧ генератора.

В случае зигзагообразной антенны (f=81МГц), напротив, ионный ток,пройдя через серию локальных максимумов, возрастает с увеличением магнитного поля.Представленные выше результаты были получены с источниками плазмы длиной10см и выше. Эксперименты, выполненные на частоте 13.56МГц с источниками плазмыдлиной 5см и боковой спиральной антенной, показали, что наложение внешнегомагнитного поля на индуктивный ВЧ разряд приводит к резкому уменьшениюинтенсивности свечения плазмы и погасанию разряда. Стабильное горение разрядаудалось получить только с более длинными источниками, а именно с длиной не менее7см. При проведении экспериментов было замечено, что при увеличении магнитного поляинтенсивность свечения плазмы в середине источника плазмы (по длине) и у выходногофланцаизменяетсянепропорционально,т.е.происходитпространственноеперераспределение параметров плазмы. Наиболее значимым с ростом магнитного поляявляется перераспределение интенсивности свечения плазмы по радиусу источникаплазмы.

При наложении магнитного поля на разряд в источнике длиной 10см и меньшеинтенсивность свечения плазмы концентрируется вблизи стенок источника при всехзначениях магнитного поля. В источниках плазмы длиной 15см и более с ростоммагнитного поля происходит общий рост интенсивности свечения плазмы, причеминтенсивность свечения вблизи оси растет быстрее, чем на периферии, затем максимуминтенсивностисвеченияплазмысмещаетсякстенкамисточника.Изменениеинтенсивности свечения плазмы может быть обусловлено двумя причинами: изменениемконцентрации и эффективной температуры электронов.

Более детальные исследования,выполненные при работе на частотах 13.56МГц, показали, что эффективная температураэлектронов в пределах погрешности эксперимента не зависит от радиальной координаты.Это, по-видимому, связано с тем, что максимум интенсивности свечения вблизи осиисточников плазмы наблюдался при низких магнитных полях. При этих условияхларморовский радиус основной массы электронов достаточно велик. При частоте 81МГцмаксимум интенсивности свечения в центральных областях разряда наблюдается приполях порядка 10мТл, при этих условиях ларморовский радиус электронов меньшерадиуса источника плазмы. Здесь измерения показали, что в области магнитных полей,где наблюдается максимум концентрации электронов в центре источника плазмы,происходит существенное увеличение и эффективной температуры электронов.

В областималых и больших B, где электронная плотность в центре мала, эффективная температураэлектронов у стенок источника плазмы выше.Представленные выше результаты были получены при фиксированной мощностигенератора при условии, что магнитное поле увеличивалось от нуля до величин Вfin,превышающих В, при которых наблюдается срыв разряда.

В ряде случаев при работе сторцевой спиральной антенной и антенной NagoyaIII наблюдался гистерезис взависимостях ip, I от магнитного поля при увеличении магнитного поля сначала от 0 доBfin, а затем его уменьшения до 0. Ранее гистерезис наблюдался при увеличенииBиуменьшении мощности ВЧ генератора в индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля.Измерения, выполненные в настоящей работе, показали (см. рис.6), что наложениемагнитного поля способствует появлению гистерезиса. При магнитном поле 1мТл и нижепри уменьшении мощности ВЧ генератора скачок из Н в Е-моду происходил при том жезначении Pb, что и при увеличении мощности генератора Pf.

Ситуация изменяется сростом магнитного поля. Здесь появляется гистерезис, и значения Pb оказываются меньшеPf , причем разница в значениях Pb и Pf растет с увеличение магнитного поля. Появлениегистерезиса было зафиксировано при работе с торцевой спиральной антенной и антеннойNagoya III.Интенсивность свечения (отн.ед.)Интенсивность свечения (отн.ед.)5а41мТл321050100150PGen (Вт)200543210250050100150200250300PGenРис. 6.

Зависимость интенсивности свечения плазмы от мощности ВЧ генератора,питающего антенну, при увеличении (квадраты) и уменьшении (кружки) мощности.Давление аргона 2мТор. f=13.56МГц.Отметим еще одну особенность поведения разряда, проявившуюся в настоящихэкспериментах. Это насыщение интенсивности свечения и зондового тока с увеличениемPGen при горении разряда в Н-моде.

Наиболее отчетливо это проявляется при работе сзигзагообразной антенной.В работе К.Шамрая и В.Таранова было показано, что целый ряд наблюдаемыхособенностейповеденияиндуктивногоВЧразрядаможнообъяснитьсильнойзависимостью реактивной составляющей импеданса плазмы от величины магнитногополя, которая приводит к рассогласованию системы согласования и изменению доли ВЧмощности, поступающей в разряд. Эксперименты, выполненные в настоящей работе,показали, что указанный механизм, безусловно, необходимо учитывать при проведенииизмерений. Однако объяснить с его помощью представленные выше результатыневозможно, т.к.

в подавляющем большинстве экспериментов, представленных внастоящей диссертации, четко контролировалось согласование нагрузки и генератора.Вместе с тем идея о том, что изменение условий эксперимента сопровождаетсяизменением доли мощности, поступающей в плазму, представлялась лежащей вфундаменте объяснения всей совокупности приведенных данных.В связи с этим наследующем этапе работы были выполнены детальные исследования динамики параметровплазмы и величины ВЧ мощности поглощенной плазмой, при изменении величинымагнитного поля и мощности ВЧ генератора. Была использована торцевая спиральнаяантенна.Измерения показали, что поджиг разряда приводит к небольшому уменьшениютока, текущего через антенну, а дальнейшее увеличение магнитного поля – к ростуразницы между токами, текущими через антенну при наличии разряда и без него.

Этосвидетельствует о ростедоли мощности ВЧ генератора, поглощенной плазмой.Увеличение магнитного поля выше значения Bmax приводит к возрастанию тока черезBантенну. После срыва разряда ток через антенну возвращается к значениям, имевшимместо до поджига разряда. Соответственно величины ВЧ мощности Ppl, поглощеннойплазмой, рассчитанные на основании измеренных IАнт, растут с магнитным полем вплотьдо достижения магнитного поля Bmax, затем мощность, поглощенная плазмой, начинаетBпадать пока не достигнет величин, недостаточных для поддержания разряда.

Здесьпроисходит срыв разряда.Изменение мощности, поглощенной ВЧ плазмой, при увеличении магнитного поляестественно сопоставить с динамикой изменения концентрации электронов. Однако, какотмечалось выше, изменение B приводит к перераспределению параметров плазмы пообъему источника. При этом для каждой точки плазменного объема будет характерна своязависимость концентрации плазмы от магнитного поля. Выход из положения можнонайти, сопоставив среднюю по сечению концентрацию:N e = ∫ ne ( r ) rdr ,(7)плазмы с поглощенной ею мощностью.

Поведение средних значений концентрацииэлектронов с ростом магнитного поля качественно совпадает с поведением локальнойконцентрации. Сначала идет рост Ne , затем уменьшение и срыв разряда. Увеличение ВЧмощности и давления приводит к росту концентрации электронов и смещению границысуществования разряда в область больших магнитных полей.Полученные в экспериментах значения Ne и Ppl были представлены в видезависимости Ne/(Ppl*p) от мощности, поглощенной плазмой (см. рис.7). Здесь p – давлениеаргона в разрядной камере. Оказалось, что при условии, что в плазму вкладываетсямощность, превышающая 40Вт, все точки в пределах погрешности эксперимента ложатсяна прямую, параллельную оси абсцисс.

Это означает, что средняя по объему концентрацияэлектронов в плазме индуктивного ВЧ разряда пропорциональна вложенной в плазмумощности, а особенности изменения плотности плазмы с изменением магнитного полясвязаны с перераспределением мощности ВЧ генератора между активным эффективнымсопротивлением антенны и эквивалентным сопротивлением плазмы. Рост отношенияNe/(Ppl*p) в области малых (<40Вт) мощностей, вложенных в плазму, связан, повидимому, с наличием емкостной компоненты разряда.1.0R=7.5см L=10смArp=1.6мТорp=3мТорp=5мТорne/( PPl х p), (отн.ед.)0.80.6Рис.7. Зависимость ne/( PPl× p) отмощности, поглощенной плазмой.0.40.20.0020406080100120140160180200PPl (Вт)В следующей серии экспериментов изучались свойства индуктивного разряда,возбуждаемого антеннами с различным эффективным сопротивлением.

Для этогоэффективное сопротивление исходной антенны искусственно повышалось с помощьюдополнительного сопротивления. Изменение характеристик разряда при увеличениисопротивления антенны дало возможность в прямом эксперименте зафиксировать влияниепотерь мощности во внешней цепи. Наиболее интересные результаты были получены приисследовании перехода разряда из Е- в Н- моду при изменении мощности ВЧ генераторапри постоянном значении магнитного поля.