Влияние внешней цепи на закономерности энерговклада в гибридный ВЧ разряд низкого давления, страница 3

Один из них сформированобкладками конденсатора, а другой – витками индуктора. В целом с ростом емкости11*С происходит смещение величины Ppl в область более высокихPpl . При значенииразделительной емкости 13пФ и давлениях аргона менее 78мТор вклад емкостнойсоставляющей в поддержание разряда при рассмотренных значениях Pplнезначителен. Увеличение С приводит к усилению роли емкостной составляющей нетолько при Ppl  Ppl* , но и при Ppl  Ppl* .Выполненные эксперименты выявили интересную закономерность в изменениисоотношения между долями ВЧ мощности, поступающими в разряд черезиндуктивный и емкостной каналы при изменении давления. При значенииразделительной емкости С=13пФ при всех рассмотренных значениях Ppl ВЧмощность поступает в разряд главным образом через индуктивный канал приусловии, что давление аргона меньше 78мТор.

При давлении 78мТор, однако, дажепри С=13пФ роль емкостного канала становится существенной, т.к. через него вразряд поступает не менее 20% всей поглощенной мощности. В случаеразделительного конденсатора С=27пФ наблюдается немонотонная зависимостьPc / Ppl  p  . Хуже всего мощность вкладывается через емкостной канал при давленииP * ~23мТор.

При уменьшении и увеличении давления относительно P * рольемкостного канала повышается. При значениях разделительной емкости более 27пФзависимость Pc / Ppl от давления выражена слабо.Из формул (1), (4), (5) видно, что энерговклад в плазму гибридного разрядаопределяется основными параметрами внешней цепи и плазмы: концентрацией иэнергетическим распределением электронов, определяющими проводимостьплазмы. В связи с этим далее в диссертации были подробно исследованы указанныевыше характеристики.12Pgen(Вт)Рис.

4. Зависимости величин V , Vel ,I i и I c от мощности ВЧ генератора PgenНа рис.4 показаны зависимости величин напряжения на выходе из системысогласования V , напряжения между электродами Vel , токов, текущих через антеннуI i и емкостной канал I c от мощности ВЧ генератора Pgen . Из рисунка видно, чтонапряжение на выходе из системы согласования V и ток антенны I i возрастают сувеличением мощности ВЧ генератора, причем скорость роста указанных величинPgen превышает 50Вт, т.е.там, где преобладает вклад ВЧ мощности через индуктивный канал. Напряжение Vel ,приложенное к обкладкам конденсатора, при Pgen <50Вт растет, а затем насыщается.замедляется при условии, что мощность ВЧ генератора13Рис. 5.

Зависимости интенсивности свечения плазмы и ВЧ мощности, поступающей вразряд, от величиныPgen .На рис.5 представлены зависимости интенсивности свечения плазмы и ВЧмощности, поступающей в разряд, от величиныPgen . Как видно при значенияхPgen >50Вт ВЧ мощность, вложенная в плазму, и интенсивность свечения плазмырезко возрастают. Измерения показали, что температура быстрых электронов приPgen >50Вт в пределах погрешности эксперимента не изменяется.

В связи с этим ростинтенсивности свечения плазмы естественно связать с ростом концентрацииэлектронов в разряде. Очевидно, что рост плотности плазмы приводит к увеличениюпроводимости плазмы, росту тока, текущего через емкостной канал (см. Рис.4),увеличению падения напряжения на разделительном конденсаторе и насыщениюзависимости Vel ( Pgen ) . Значения напряжения, приложенного к обкладкамконденсатора, тем меньше, чем меньше величина разделительной емкости С.Эксперименты показали существование еще одного интересного эффекта,связанного с падением напряжения на разделительном конденсаторе.

Генерациявысших гармоник тока в приэлектродных слоях пространственного зарядасопровождается при малых значениях емкости разделительного конденсатора (10 –30пФ) появлением высших гармоник в спектре напряжения, подводимого к обкладкамконденсатора, и усилением ангармонизма тока. При С ~ 10пФ оказывается, чтоосновная частота напряжения, приложенного к индуктору, составляет 13.6МГц, в то14время как основная частота напряжения, приложенного к обкладкам конденсатора,составляет 27.2МГц.Известно, что в емкостном разряде при наличии разделительной емкости,размыкающей электроды по постоянному току, формируется отрицательноепостоянное самосмещение активного электрода относительно заземленногопассивного электрода.

Измерения, выполненные в настоящей работе вэкспериментах с емкостным разрядом при использовании разделительных емкостейс номиналами, аналогичным использованным при изучении гибридного ВЧ разряда,подтвердили известные из литературы результаты.Иная картина наблюдается при изучении самосмещения активного электрода вэкспериментах с гибридным ВЧ разрядом (см. Рис.6). При разделительной емкости100пФ, также как и в емкостном разряде, самосмещение активного электродаотрицательно, однако, величины постоянного потенциала по абсолютной величинесущественно ниже, чем в емкостном ВЧ разряде. При разделительной емкости 50пФсамосмещение активного электрода отрицательно только при малых вложенных вплазму ВЧ мощностях. По мере роста Ppl , постоянная составляющая потенциалаактивного электрода относительно земли проходит через 0 и становитсяположительной.

При еще меньших разделительных емкостях постоянный потенциалактивного электрода положителен при всех рассмотренных значениях Ppl .Положительное смещение нагруженного электрода относительно земли возможнопри условии, что емкость его приэлектродного слоя больше, чем емкость узаземленного электрода [6].

Выполненные спектральные измерения подтвердили,что толщина слоя у активного электрода меньше, чем у заземленного, чтонеобходимо для выполнения указанного выше соотношения емкостей.15Рис.6 Зависимость постоянного смещения активного электрода относительнозаземленного пассивного электрода. Гибридный разряд. 7мТор.Таким образом, результаты экспериментального исследования гибридного ВЧразряда показали, что при малых мощностях ВЧ генератора вложение в разрядмощности происходит главным образом через емкостной канал. По мере ростамощности ВЧ генератора увеличивается вложение мощности через индуктивныйканал, повышается плотность электронов и ток, текущий через емкостной канал. Этоприводит к увеличению падения потенциала на разделительной емкости ичастичному запиранию емкостного канала.

При значениях разделительной емкости50пФ и ниже толщина приэлектродного слоя пространственного заряда у электродовубывает с ростом вложенной в плазму мощности, самосмещение активногоэлектрода становится положительным. При значениях разделительной емкостименее 50пФ происходит интенсивная генерация высших гармоник в емкостномканале разряда.

Повышение величины разделительной емкости приводит куменьшению плотности электронов, росту эффективной температуры электронов иувеличению эффективности вложения ВЧ мощности за счет увеличенияотносительной роли емкостного канала разряда. Изменение давления аргонаприводит к перераспределению вклада индуктивного и емкостного каналов впоглощение ВЧ мощности. Наиболее эффективно ВЧ мощность вкладывается черезиндуктивный канал при давлении порядка 20мТор. При давлениях аргона менее1610мТор и более 70мТор вклад емкостного канала в поглощение ВЧ мощностиувеличивается.Четвертая глава посвящена математическому моделированию физическихпроцессов в гибридном ВЧ разряде.

Для нахождения объяснения особенностейповедения гибридного ВЧ разряда, обнаруженных экспериментально, быларазработана самосогласованная модель разряда, позволяющая рассчитать егопараметры, усредненные по объему разряда, зная величину ВЧ мощности,отдаваемой ВЧ генератором во внешнюю цепь, параметры внешней цепи, а такжегеометрические размеры источника плазмы. При формулировке моделипредполагалось, что в состав плазмы входят: атомы аргона, концентрация которыхопределяется заданным давлением газа; медленные электроны, энергетическоераспределение которых является максвелловским; быстрые монокинетичныеэлектроны; ионы аргона.Предполагалось, что емкостная ветвь разряда является симметричной, приэтом падение постоянного потенциала в приэлектродном слое U sh равняетсяполовине амплитуды приложенного к электродам ВЧ напряжения Vel , U sh  Vel 2 ;стенки источника плазмы находятся под отрицательным потенциалом относительно плазмы; столкновения ионов с электродами приводит к эмиссииэлектронов, вероятность рождения электрона при столкновении иона с поверхностьюэлектрода равняется ; электроны, эмитированные с поверхности электродов, ирожденные в результате ионизации аргона электронами в объеме приэлектродныхслоев,являютсябыстрыми.Энергиябыстрыхпадением постоянного потенциала в слое, т.е.электронов  fопределяется f  eU sh ; все электроны,рожденные в объеме, не занятом слоем, являются медленными, максвелловскими.Самосогласованная модель гибридного ВЧ разряда основана на уравненияхбаланса числа ионов, медленных и быстрых электронов, мощности и уравненииквазинейтральности.Уравнение баланса ионов фиксирует равенство числа ионов, рожденных в зонеионизации объемом V, числу ионов, ушедших на электроды суммарной площадью2 S flange и стенки газоразрядной камеры площади Slateral :n no slslfstZ ion no n fst Z ionV  n v  (2 S flange  S lateral ) ,где n0 , nsl , n fst ,(6)n – концентрация нейтралов, медленных и быстрых электронов иslfstZ ion, Z ion – скорость ионизации аргона медленными и быстрымиэлектронами, v  – скорость ионов.ионов,Уравнение баланса медленных электронов фиксирует равенство числаэлектронов, рожденных в объеме V источника плазмы за вычетом объема, занятого17слоями пространственного зарядаи стенки газоразрядной камеры:n no sl2Vsheath , числу электронов, ушедших на электродыslfstV  2Vsh  Z ion no n fst Z ion e  1 eU sh  ,1  nsl v e 2S flanges exp nsl v e Slateral exp 4kT4kTe e где v e – средняя скорость электронов,(7)Te – температура электронов.Уравнение баланса быстрых электронов фиксирует равенство числаэлектронов, рожденных на электродах в результате ион-электронной эмиссии и врезультате ионизации атомов аргона в объеме, занятом слоями пространственногозаряда 2Vsheath , числу электронов, ушедших на электроды и стенки газоразряднойкамеры:fstsln v  2S flange  no n fst Z ion2Vsh  no nsl Z ion2Vsh , n fst v fst (2S flange  Slateral )(8)где v fst – скорость быстрых электронов.Уравнение баланса мощности:Pple n v  2 S flangeU sh  S lateral eeU sh  kTTekTee ne v e e S lateral  e2 S flange   n fst v fst S lateral U sh    ,2(9)slfst U i no 1  Rcsl ne Z ion 1  Rcf n fst Z ionVфиксирует равенство вкладываемой в плазму мощности и мощности, выносимой наее стенки ионами, медленными и быстрыми электронами, а также мощности,затраченной на ионизацию и возбуждение частиц в объеме.

В формуле (9) U i –Rcsl , Rcfst – удельные затраты энергии на излучение атомов врезультате их возбуждения медленными и быстрыми электронами; Ppl – ВЧпотенциал ионизации,мощность, вкладываемая в плазму.Условие квазинейтральности имеет стандартный вид:nsl  n fst  n .(10)В диссертации при расчете скорости ионизации и удельных энергозатрат на18излучение учитывались только прямая ионизация и возбуждение.Толщина слоя d sheath рассчитывалась на основе равенства потока ионов,уходящих на электрод, рассчитанному по формуле Бома, потоку, рассчитанному поформуле Чайльда-Ленгмюра:32en v  1 2e U29 M d sheath,(11)где U – падение постоянного потенциала в слое, М – масса ионов.Рассмотрим связь между параметрами плазмы и мощностью, вложенной вплазму, на примере гибридного ВЧ разряда, горящего в аргоне при давлениях 1 –100мТор.