Влияние внешней цепи на закономерности энерговклада в гибридный ВЧ разряд низкого давления, страница 4

Очевидно, что для формулировки самосогласованной модели гибридногоразряда систему уравнений(6) – (11) необходимо дополнить уравнениями,описывающими поглощение ВЧ мощности плазмой и процессы во внешней цепиразряда:Ppl 1 2 iI i R pl  I c2 Rc2,(12)связывающее мощность, вложенную плазму, с амплитудами токов, текущими черезиндуктивный и емкостной канала I i , I c , активным сопротивлением плазмы Rc иэквивалентным сопротивлением индуктивного канала, а также уравнение,связывающееRc , с параметрами плазмы:m 2  2 lRc e 2 ne  r 2,(13)где е, m – заряд и масса электрона,  - рабочая частота,столкновений, l, r – длина и радиус источника плазмы. – электронная частотаВыражения для токов, текущих через индуктивный и емкостной каналы, былиполучены на основании эквивалентной схемы разряда, полученной в предположениио независимости индуктивного и емкостного каналов.Расчеты показали, что при рассмотренных значениях мощности ВЧ генератораконцентрация плазмы пропорциональна вложенной мощности, однако коэффициентпропорциональности убывает с ростом приэлектродного падения потенциала U sh .Обозначим символом  отношение вложенной мощности к концентрации ионовPpl.

Физической причиной уменьшения  с ростом U sh является увеличениеneпотока энергии, выносимого из разряда ионами, что, в свою очередь, приводит кпонижению плотности плазмы.19Необходимо отметить, что при малых U sh решения системы уравнений (6) –(12) перестают существовать.Анализ показывает, что проблема состоит вотсутствии решений уравнения (7). Действительно при малых значениях U shслагаемое eU 1nsl v e 2S flanges exp  sh  становится больше левой части уравнения.4 kTe Физически это означает, что в силу интенсивного ухода электронов на электроды, неудается уравнять уход электронов и ионов из объема разряда.

Отсутствие решенийсистемы уравнений (6) – (12) при малых U sh означает невозможность горенияразряда в рамках описанной выше модели.Численное моделирование показало, что гибридный разряд при малыхвложенных мощностях поддерживается вкладом мощности через емкостной канал.Увеличение мощности приводит к увеличению напряжения горения и тока, текущегочерез антенну. Как следствие возрастает энерговклад через индуктивный канал.Растет концентрация электронов, падает активное сопротивление плазмы иемкостное сопротивление приэлектродных слоев.

В результате возрастает падениенапряжения на разделительно емкости и уменьшается амплитуда ВЧ напряжения,подводимого к электродам емкостного канала. При этом квазистационарное падениепотенциала вблизи электродов уменьшается. Рост величины разделительнойемкости, сопровождающийся ростом ВЧ напряжения между электродами емкостногоканала, приводит к увеличению потока энергии, выносимого из разряда ионами, что,в свою очередь, приводит к понижению плотности плазмы. Рост величиныразделительной емкости, сопровождающийся понижением плотности плазмы,приводит к повышению активного сопротивления плазму, повышению вклада ВЧмощности через емкостной канал и эффективности поглощения ВЧ мощности.Основные результаты и выводы1. На основе экспериментальных исследований и численного моделированиявыполнен детальный анализ динамики физических процессов в новоймодификации ВЧ разряда, а именно, гибридном ВЧ разряде, возбуждаемоминдуктивным и емкостным способом.

Показано, что при малых значенияхвложенной мощности, когда плотность плазмы мала, эффективностьпоглощения ВЧ мощности, поступающей в разряд через индуктивный каналмала, в результате мощность поступает в разряд главным образом череземкостной канал. Рост вложенной в плазму мощности приводит кувеличению напряжения горения разряда и росту тока, текущего черезантенну,увеличению доли мощности, поступающей в разряд черезиндуктивный канал.

Рост энерговклада через индуктивный канал приводит кувеличениюконцентрацииэлектронов,понижениюактивногосопротивления плазмы, уменьшению толщины приэлектродных слоевпространственного заряда и падению емкостного сопротивления слоев.Ток, текущий через емкостной канал растет, при этом повышается падениенапряжения на разделительной емкости, включенной в емкостной каналразряда, что приводит к частичному запиранию емкостного канала. При20малых значениях разделительной емкости при условии преобладающеговложенияВЧмощностичерезиндуктивныйканалтолщинаприэлектродного слоя положительного заряда у активного электродауменьшается по сравнению с толщиной слоя у пассивного электрода исамосмещение активного электрода становится положительным.2.

Показано, что изменение величины разделительной емкости, включенной вемкостную ветвь гибридного ВЧ разряда, позволяет плавно регулироватьпараметры плазмы разряда. Повышение величины разделительнойемкости приводит к увеличению приэлектродного падения потенциала,уменьшению плотности электронов вследствие увеличения энергии,выносимой ионами из разряда, росту эффективной температурыэлектронов и увеличению эффективности вложения ВЧ мощности за счетувеличения относительной роли емкостного канала разряда.3. Показано, что изменение давления аргона приводит к перераспределениювклада индуктивного и емкостного каналов в поглощение ВЧ мощности.Наиболее эффективно ВЧ мощность вкладывается через индуктивныйканал при давлении порядка 20мТор, т.к. энерговклад через емкостнойканал понижен вследствие более низких, чем при других рассмотренныхдавлениях значений активного сопротивления плазмы.

При давленияхаргона менее 10мТор и более 70мТор вклад емкостного каналаувеличивается вследствие роста активного сопротивления плазмы.4. Впервые разработана математическая самосогласованная модельгибридного ВЧ разряда, позволяющая рассчитать основные параметрыплазмы, напряжения и токи, текущие во внешней цепи разряда наосновании известных мощности ВЧ генератора, значения разделительнойемкости, индуктивности антенны, давления и геометрических параметровисточника плазмы.

Численные раcчеты, выполненные на основанииматематической модели разряда позволили объяснить наблюдавшиесяэкспериментально особенности разряда.Список цитируемой литературы1. Кралькина Е. А. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления ивозможности оптимизации источников плазмы на его основе. // УФН, том 178, №5,c.519 – 540, (2008).2.

Кралькина Е. А. Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧиндуктивные источники плазмы низкого давления. // Диссертация на соисканиеученой степени д. ф.-м. н. Москва, 2008.3. Райзер Ю. П., Шнейдер М. Н., Яценко Н. А. Высокочастотный емкостный разряд. //М:, Изд. МФТИ, 1995, 320с.4. Lieberman M.

A., Lichtenberg A. J. Principles of plasma discharges and materialsprocessing, second edition. // John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005,757.5. Савинов В. П. Граничные эффекты емкостного высокочастотного разряда. //Диссертация на соискание ученой степени д. ф.-м. н. Москва, 2001.216. Kohler K., Coburn J.

W., Horne D. E., Kay E., Keller J. H. Plasma potentials of 13.56‐MHz rf argon glow discharges in a planar system. // J. Appl. Phys. 57(1), 1985, 59-66.7. Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. Наука, 1970.8. Godyak V. A., Piejak R. B. In situ simultaneous radio frequency discharge powermeasurements. // J. Vac. Sci. Technol. A8(5), 3833-3837 (1990)9.

Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. // М.: Наука,1974, 223с.Список публикаций по теме диссертации1. А.Ф. Александров, К.В. Вавилин, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, А.А. Рухадзе,В.П.Савинов,Ч.Чжао,В.Г.Якунин.Экспериментальноеизучениезакономерностей энерговыделения в гибридном высокочастотном разряденизкого давления при изменении мощности высокочастотного генератора идавления аргона. // Вестник Московского университета. Серия 3. ФИЗИКА.АСТРОНОМИЯ. 2010. №4, стр.

71-75.2. К.В.Вавилин, М.А.Гоморев, Е.А.Кралькина, П.А.Неклюдова, В.Б.Павлов, Ч.Чжао.Изучение закономерностей энерговклада в гибридный вч разряд низкогодавления. // Вестник Казанского технологического университета, №13, 2011, стр.711.3. К.В.Вавилин, М.А.Гоморев, Е.А.Кралькина, П.А.Неклюдова, В.Б.Павлов, Ч.Чжао.Влияние внешних параметров на особенности высокочастотного гибридногоразряда низкого давления.

// Вестник Московского университета. Серия 3.ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2012. №1, C. 97-100.4. К.В.Вавилин, М.А.Гоморев, Е.А.Кралькина, П.А.Неклюдова, В.Б.Павлов, Ч.Чжао.Экспериментальное изучение параметров плазмы гибридного ВЧ разряда низкогодавления. //Вестник Московского университета. Серия 3. ФИЗИКА.АСТРОНОМИЯ. 2012.

№1, c. 101-105.5. A.F. Alexandrov, K.V. Vavilin, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov, A.A. Rukhadze, V.P. Savinov,Chen Zhao. Study of the inductive RF discharge with the capacitive component. // VIInternational Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Volume 1, p. 106.Minsk, Belarus.