Влияние внешней цепи на закономерности энерговклада в гибридный ВЧ разряд низкого давления, страница 2

Особоевнимание уделено работам [5,6], где приведены результатыисследованияприэлектродных слоев пространственного заряда. Рассмотрены работы [3, 4],посвященные изучению механизмов поглощения ВЧ мощности. Рассмотрены путиулучшения свойств промышленных емкостных плазменных реакторов.Вторая часть обзора посвящена рассмотрению источников плазмы низкогодавления на основе индуктивного ВЧ разряда и основных физических особенностейразряда [1, 2, 4]. Рассмотрены закономерности скинирования, основные механизмупоглощения ВЧ мощности [1, 2, 4, 7].

Особое внимание уделено рассмотрению работ[1, 2], где анализируется роль емкостной составляющей в поддержании разряда.В работах [1, 2] показано, что наличие емкостной составляющей разрядаприводит при малых мощностях ВЧ генератора к увеличению энерговклада в плазмучерез индуктивный канал, а наличие индуктивного канала разряда влияет наприэлектродные скачки квазистационарного потенциала. Из обзора литературыследует, что взаимное влияние каналов проявляется в появлении рядасамосогласованных эффектов, анализ которых позволяет глубже понять механизмыфизических процессов, происходящих в емкостном и индуктивном разряде. Крометого, появляется возможность плавного управления основными параметрамиразряда, которое может найти практическое применение.

Основываясь, на выводах,сделанных на основании обзора литературы, в конце первой главы сформулированацель диссертации.Вторая глава содержит описание условий экспериментов и методики измерений.Гибридный ВЧ разряд поджигался в цилиндрическом источнике плазмы (Рис. 1),диаметр и высота которого составляли 15см. Узел ввода ВЧ мощности был выполненв виде параллельно соединенных спиральной антенны и обкладок конденсатора.

Поспиральной антенне, расположенной на боковой поверхности источника плазмы, текток I i . Параллельно антенне были подключены обкладки конденсатора,расположенные на торцевых фланцах источника плазмы. Между антенной иобкладками конденсатора была включена разделительная емкость C , значениякоторой изменялись в диапазоне 10-300пФ. Обкладки конденсатора вместе сразделительной емкостью формировали емкостную ветвь разряда. В емкостной цепиузла ввода ВЧ мощности тек ток I c . На концах антенны между точками A и B спомощью ВЧ генератора создавалось ВЧ напряжение амплитуды V .6Рис. 1.

Схема гибридного ВЧ разряда.В общем случае величина ВЧ мощности, поглощаемой плазмой, определяетсявыражением [7]:Ppl 2L R22r  Er   E  || Ez  g E Er*  Er E*  dr ,4 0(1)где E , Er , E z азимутальная, радиальная и продольная компоненты ВЧэлектрического поля в плазме, L-длина,  , || , g  – мнимые части компонентовтензора диэлектрической проницаемости плазмы.В индуктивном разряде ВЧ электрические поля пропорциональны амплитудеiтока, текущего по антенне I 0 , поэтому уравнение (1) можно переписать в виде:Ppl 1 i i2R pl I 0 ,2(2)где коэффициент пропорциональности между вложенной мощностью и квадратомтока, текущего через антенну, имеет размерность сопротивления и зависит только отiсвойств плазмы.

Величина R pl названа эквивалентным сопротивлением плазмыиндуктивного разряда.В случае гибридного разряда ВЧ поле в плазме E представляет собойсуперпозицию вихревого Ev и потенциального E p полей:E  Ev  E p .(3)7~Вихревое поле определяются величиной тока I i , текущего через индуктор, а~потенциальное поле – напряжением U c , приложенным к обкладкам конденсатора.В случае параллельного подсоединения индуктора и обкладок конденсатора~через разделительную емкость C напряжение U c , приложенное к обкладкамконденсатора, определяется формулой:I~1 Zi U~c  U~  c  I~i  Z i iCiC Z c (4)Здесь Z i , Z c – импеданс индуктивной и емкостной ветвей разряда соответственно.Таким образом, электрическое поле, приложенное к обкладкам конденсатора, а,следовательно, и суммарное электрическое поле Е оказывается пропорциональнымтоку, текущему через антенну.

Это означает, что при рассмотрении гибридногоразряда, также как и в случае чисто индуктивного разряда, из под знака интеграла (1)iможно вынести квадрат амплитуды тока, текущего через антенну I 0 :Ppl 1 h i2R pl I 02(5)hМножитель R pl , стоящий перед2I 0i , имеет размерность сопротивления. Егоестественно назвать эквивалентным сопротивлением гибридного ВЧ разряда. Такжекак в случае чисто индуктивного разряда, эквивалентное сопротивление гибридногоразряда является мерой способности плазмы поглощать ВЧ мощность.Необходимо отметить, что в отличие от чисто индуктивного разрядаэквивалентное сопротивление плазмы гибридного разряда зависит не только отзакономерностей проникновения ВЧ полей в плазму и механизма поглощениямощности, но и от параметров внешней цепи разряда.

Последнее физически связанос тем, что параметры внешней цепи (реактивные сопротивления антенны иразделительной емкости) существенно влияют на относительную роль каждого изканалов в поддержании гибридного разряда.При условии, когда нагрузка согласована с генератором, активная ВЧ мощностьPGen , отдаваемая генератором во внешнюю цепь гибридного ВЧ разряда, также как вслучае чисто индуктивного ВЧ разряда, распределяется между двумя активныминагрузками, а именно: часть мощности идет на нагрев индуктора, а часть мощностипоглощается плазмой. В связи с этим для нахождения мощности, вложенной вплазму Ppl , проводилось измерение мощности ВЧ генератора и напряжения навыходе из системы согласования без и при наличии разряда [8].Для нахождения импедансов индуктивного и емкостного каналов Z i , Z c впроцессе экспериментов измерялись временные зависимости напряжений~~напряжения на выходе из системы согласования V и напряжения Vel , приложенного к8~ ~обкладкам конденсатора, временные зависимости токов I i , I c , текущих черезиндуктивный и емкостной каналы.Для нахождения величины ВЧ мощности, поступающей в разряд, через~~емкостной канал Pc , временные зависимости Vel и I c перемножались иинтегрировались по периоду ВЧ поля.Эквивалентное сопротивление гибридного ВЧ разряда определялось поформуле (5) на основании измеренных величин мощности, поглощенной плазмой, иамплитуды тока, текущего через антенну.Концентрация и энергетическое распределение электронов определялосьзондовым методом.

Для этого в центральном сечении источника вблизи его осирасполагался цилиндрический зонд длиной 5мм и диаметром 0.3мм. Энергетическоераспределение электронов определялось по зависимости электронного тока на зондот потенциала зонда с помощью метода регуляризации А. Н. Тихонова [9].Параллельно с зондовыми измерениями были выполнены пространственныеизмерения свечения плазмы. Отношение интенсивности ионных и атомарных линийаргона   I ArII I ArI (ArII – 4198 Å , ArI – 4200Å) было использовано для нахожденияэффективной температуры быстрых электронов.В заключение главы описана методика измерения ВЧ токов с помощью «поясаРоговского».Эксперименты проводились в разряде в аргоне в диапазоне давления 5 –100мТор при мощностях ВЧ генератора 10-300Вт, работающего на частоте 13.56МГц.В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментальногоизучения особенности физических процессов в гибридном ВЧ разряде.

ГибридныйВЧ разряд является модификацией известных форм высокочастотного разряда.Прежде всего, в диссертации рассмотрено, как соотносятся свойства гибридного,емкостного и индуктивного разрядов. Для сравнения характеристик плазмыразличных модификаций гибридного ВЧ разряда использовались спектральныеизмерения. Измерение пространственных распределений отношения интенсивностиионных и атомарных линий аргона , измеренных в различных формах ВЧ разряда,показали, что  достигает максимальных значений в емкостном разряде, гдесуществует избыток быстрых электронов (Рис.2).

Они возникают при торможенииэлектронов пучков, формирующихся в приэлектродных слоях пространственногозаряда, а так же в результате стохастического нагрева электронов. Механизмрождения быстрых электронов проявляет себя в росте отношения  приприближении к электродам, к которым подводится ВЧ напряжение.

Наименьшиезначения  характерны для индуктивного ВЧ разряда, где существует дефицитбыстрых электронов, вызванный неупругими столкновениями электронов с атомамиаргона. Значения  в случае гибридного разряда занимают промежуточное значениемежду величинами, характерными для индуктивного и емкостного ВЧ разряда. Вслучае разделительной емкости 13пФ рост отношения интенсивностей линий  I ArII I ArI , характеризующий рост числа быстрых электронов наблюдается только9у пассивного электрода, у активного электрода значения  близки к существующим восновном объеме разряда. При значениях С = 300пФ значения  выше, причем рост наблюдается как у пассивного, так и у активного электродов.

Рост разделительнойемкости С, с одной стороны, приводит к росту , а, с другой стороны,сопровождается падением интенсивности свечения плазмы. Это свидетельствует оросте числа быстрых электронов и уменьшении плотности плазмы.Рис.2. Пространственные распределения отношения интенсивности ионных иатомарных линий аргона, измеренных в различных формах ВЧ разряда. Давлениеаргона 7мТор. L – расстояние от внешней поверхности верхнего фланца.В гибридном ВЧ разряде мощность поступает в плазму по двум каналам:емкостному и индуктивному. Очевидно, что соотношение долей мощности,поступающей в разряд через указанные каналы, должно оказывать определяющеевлияние на свойства разряда.На рис.3. показана типичная зависимость доли мощности Pi Ppl , Pc Ppl ,поступающей в разряд через индуктивный и емкостной каналы от мощности ВЧгенератора при различных значениях разделительной емкости при давлении аргона16мТор.10Рис.3.

Зависимость доли мощности Pi Ppl (закрашенные значки), Pc Ppl (открытыезначки), поступающей в разряд через индуктивный и емкостной каналы от мощности,вложенной в плазмуКак видно, при малых значениях мощности, вложенной в плазму, преобладаетвклад мощности через емкостной канал. Затем при некотором значенииPpl  Ppl*вклад мощности через оба канала сравнивается, при более высоких значениях Pplосновная доля мощности поступает в разряд через индуктивный канал. Необходимоотметить небольшие отличия от сказанного, наблюдаемые при мощностях порядка10Вт и ниже при давлении аргона 78мТор. Здесь вклад мощности через емкостнойканал с ростом Ppl возрастает. Это по-видимому, связано с тем, что при малых Pplиндуктивный канал не успевает сформироваться, и, по сути дела, ВЧ мощностьвкладывается в разряд по двум емкостным каналам.