Влияние внешней цепи на закономерности энерговклада в гибридный ВЧ разряд низкого давления

На правах рукописиЧжао ЧэньВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ ЦЕПИНА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭНЕРГОВКЛАДАВ ГИБРИДНЫЙ ВЧ РАЗРЯД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯСпециальность 01.04.08 – физика плазмыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2011Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:– доктор физико-математических наук,в.н.с.

Кралькина Елена Александровнадоктор физико-математических наук,профессорЛейман Владимир Георгиевичкандидат физико-математических наук,доцентПопов Олег АлексеевичОфициальные оппоненты:Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение«Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики иэлектродинамики»Защита состоится «__» февраля 2012г в ____ на заседании Диссертационногосовета Д. 501.001.66 Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,физический факультет, аудитория СФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им.

М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «»2012г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.66кандидат физико-математических наукИ.Н.Карташов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время высокочастотный (ВЧ) разряд низкого давления широкоприменяется в промышленных плазменных технологиях.

Известны источникиплазмы, основанные на емкостном и индуктивном ВЧ разряде. Известно, что вемкостном ВЧ разряде формируются приэлектродные слои объемного заряда, вкоторых возникает среднее по периоду ВЧ поля падение потенциала, ускоряющееионы в направлении электродов. Это позволяет обрабатывать с помощьюускоренных ионов образцы материалов, расположенных на электродах емкостногоВЧ разряда. Еще одной особенностью емкостного разряда, также нашедшейпрактическое применение, является формирование в приэлектродных слояхобъемного заряда большого количества быстрых электронов. Наличие быстрыхэлектронов в разряде приводит к эффективной диссоциации сложных молекул иобразованию радикалов, которые необходимы для реактивного травленияматериалов, плазменной полимеризации и т.д.

Недостатком емкостного ВЧ разрядаявляется относительно низкая концентрация электронов в основном объеме плазмы.Это ограничивает производительность ряда плазменных технологий. Значительноболее высокая концентрация электронов при тех же ВЧ мощностях характерна дляиндуктивных ВЧ разрядов.ВЧ индуктивные плазменные реакторы и источники ионов низкого давления ужев течение нескольких десятилетий являются важнейшей составляющей современныхземных и космических технологий. Широкому распространению техническихприменений индуктивного ВЧ разряда способствуют его основные достоинства –возможность получения высокой концентрации электронов при относительноневысоком уровне ВЧ мощности, отсутствие контакта плазмы с металлическимиэлектродами, небольшие температуры электронов, а, следовательно, невысокийпотенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд.

Последнеепомимо минимизации потерь мощности на стенках источника плазмы позволяетизбежать повреждения поверхности образцов ионами высоких энергий при ихобработке в разряде.ВЧ мощность поступает в плазму индуктивного разряда по двум каналам:индуктивному, существующему благодаря току, текущему по индуктору или антенне,и емкостному, существующему благодаря наличию емкостной связи между антеннойи плазмой. Ранее [1,2] было показано, что наличие емкостной составляющей разрядаприводит при малых мощностях ВЧ генератора к увеличению энерговклада в плазмучерез индуктивный канал, а наличие индуктивного канала разряда влияет навеличину приэлектродных скачков квазистационарного потенциала. Взаимноевлияние каналов приводит к появлению ряда самосогласованных эффектов, анализкоторых позволяет глубже понять механизмы физических процессов, происходящихв емкостном и индуктивном разрядах.

Кроме того, вложение ВЧ мощности, как черезиндуктивный, так и через емкостной каналы позволяет плавно управлять основнымипараметрами разряда, что необходимо при практических применениях разряда. Всвязи с этим закономерно встает вопрос об организации и исследовании новоймодификации ВЧ разряда, а именно гибридного ВЧ разряда, возбуждение которого3осуществляется системой токов и зарядов, генерируемых на внешней поверхностиисточника плазмы.Диссертация посвящена экспериментальному исследованию и численномумоделированию физических процессов в гибридном ВЧ разряда низкого давления.Это позволяет считать тему диссертационной работы актуальной.Цель работыОсновные задачи диссертационной работы: изучение роли емкостного и индуктивного каналов в поддержании гибридного ВЧразряда низкого давления;Изучение процессов во внешней цепи гибридного ВЧ разряда при мощностяхВЧ генератора 10-300 Вт, давлениях аргона 5-100 мТор;изучение влияния параметров внешней цепи на параметры плазмы иэнерговклад в гибридный ВЧ разряд при мощностях ВЧ генератора 10-300 Вт,давлениях аргона 5-100 мТор;разработка самосогласованной модели гибридного ВЧ разряда низкогодавления и численное моделирование физических процессов в гибридномВЧ разряде низкого давления.Научная новизна работыВпервые экспериментально изучены режимы горения новой модификации ВЧразряда, а именно гибридного ВЧ разряда низкого давления при различныхпараметрах внешней цепи.

Впервые экспериментально и с помощьючисленногомоделированияпоказано,чтоизменениевеличиныразделительной емкости, включенной в емкостную ветвь гибридного ВЧразряда, позволяет плавно регулировать параметры плазмы разряда.Впервые экспериментально показано, что изменение давления аргонаприводит к перераспределению вклада индуктивного и емкостного каналов впоглощение ВЧ мощности.Впервые разработана математическая самосогласованная модель гибридногоВЧ разряда, позволяющая рассчитать основные параметры плазмы,напряжения и токи, текущие во внешней цепи разряда на основании известныхмощности ВЧ генератора, значения разделительной емкости, индуктивностиантенны, давления и геометрических параметров источника плазмы.Практическая ценность работыПолученные результаты могут служить основой для объяснения физическихсвойств индуктивного и гибридного ВЧ разрядов низкого давления, построенияполной физической модели разрядов.

Кроме того, результаты могут служить научнойбазой при конструировании и выборе оптимальных режимов технологическихисточников плазмы низкого давления нового поколения.4Основные положения диссертации, выносимые на защитуРезультаты исследования соотношения между энерговкладом в плазму череземкостной и индуктивный каналы гибридного ВЧ разряда при различных значенияхразделительной емкости, мощности ВЧ генератора и давлениях аргона.Результаты исследования процессов во внешней цепи гибридного ВЧ разряда приразличных значениях разделительной емкости, мощности ВЧ генератора и давленияхаргона.Результаты исследования параметров плазмы (концентрации и эффективнойтемпературы электронов) гибридного ВЧ разряда при различных значенияхразделительной емкости, мощности ВЧ генератора и давлениях аргона.самосогласованная модель гибридного ВЧ разряда низкого давления ирезультаты численного моделирование физических процессов в гибридном ВЧразряде низкого давления.Апробация диссертацииОсновные результаты работы обсуждались на семинарах кафедры физическойэлектроники физического факультета МГУ и докладывались на следующих конференциях:1.

VI International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk,Belarus. 2009.2. XXXVIII международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы иУТС. 2011.3. Международная конференция «Физика высокочастотных разрядов». 2011,Казань.4. Всероссийская конференция по физике низкотемпературной плазмы,Петрозаводск 2011.ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях и 6 тезисах, список которыхприведен в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

Первая глава носитвводный характер и содержит обзор литературы, вторая глава содержит описание установки иосновных использованных экспериментальных методов. Третья и четвертая главыоригинальны. В целом диссертация содержит 126 страниц, включая 104 рисунков ибиблиографию из 83 наименований.Содержание работыДиссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.Во введении сформулированы основные цели и задачи диссертации,представлены актуальность данных исследований, научная новизна и практическая5ценность, перечислены защищаемые положения и кратко изложено содержание всехглав диссертации.В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.Первая часть главы посвящена рассмотрению источников плазмы на основеемкостного ВЧ разряда и основных физических особенностей разряда [3-6].