отзыв вед орг (Влияние внешних условий на физические процессы и параметры плазмы индуктивного ВЧ разряда)

"УТВЕРЖДАЮ" Директор ИОФ РАН, ербаков И.Л. фээ 2014 г, М.П. ОТЗЫВ ведущей организации на диссертацию Псклюдовой Полины Алексеевны «Влияние внсппэих условий на физические процессы и параметры шгазмы индуктивного ВЧ разряда», представленную на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук цо специальности 01.04.08 — физика плазмы Развитие представлений о физических процессах в индуктивном ВЧ разряде имеет длительную исто1эию. 1'аз1эяд оьш отк1эыг в конце 19 века н с1эазу выз~ал оживленную дискуссию о механизмах горения разряда, а именно о роли потенциальных и вихревых ВЧ полей в его поддержании. К середине ХХ иска утвердилась компромиссная точка зрения. суть которой состоит в ггэм, что разряд при малых значениях мощности ВЧ генератора поджигается и горит за счег потенциальных ВЧ полей, возникающих между витками пндуктора. а згггем, по мере роста мощности ВЧ генератора переходит в Л-моду, поддерживаемую вихревыми ВЧ цолямн, создаваемыми током, текущим по индуктору.

В первые дссятилсгия практического использования разряда он применялся гэщвным образом для получения равновесной плазмы при атмосферном давлении. Физика этой формы индуктивного ВЧ разряда. хорошо изучена. В последние десятилетия возник интерес к физике индуктивного высокочастотного раз1эяда низкого давления, являюще~ося источником неравновесной плазмы. Интерес стимулирован использованием разряда в полупроводниковой промьппленности в качестве среды плазменных реакторов для травления и обработки микрочипов. В настоящее время ежегодно появляется большое количество работ.

посвящсгщых изучению проникновения ВЧ нолей в плазму. механизмов поглощения ВЧ мощности, выяснению природы нелинейных эффектов, особенностей формирования функции распределения электронов по энергиям в индуктивном разряде. К этому ряду работ приналлежит и диссертационная работа Неклюдовой Полины Алексеевны. Диссертация посвящена комплексному исследованию физических процессов и параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда при изменении в широких диапазонах давления инертных |азов, мощности и частоты ВЧ генератора, величины внешнего магнитного поля.

Полученные в диссертации результаты проясняю г самосогласовапнукз связь внешних условий поддержания разряда, соотношения между емкостиой и индуктивиОЙ сос1|1влякъщими разряз|й„параметрами плазмь1. Рассматриваемые в диссертации задачи является важными лля понимания физики рйзрядй и ||ля разработки иш|овйционных эффективных источников плйзмы широкоп| применения. Это позволяют считать лисссртационную работу П.А. !-!еклкп|овой актуальной. Диссертация состоит из введения, пяти глав, в заключение приведены осношпяе результаты и выводы„список литературы. В первой главе диссертации содержится обзор литер|ггуры„посвященный физике индуктивного ВЧ разряда, перечислены основные классы устройств па его основе. Первая часть обзора посвящена рассмотрению фундаментальных свойств и физических особенностей индуктивного ВЧ разряда без анели|его магнитного поля. Рассмотрены особенности получения индуктивного ВЧ разряда, закономерности проникновения ВЧ полей в плазму, механизмы поглощения ВЧ мощности плазмой разряда.

Описаны особенности формирования функции распределения электронов по энергиям, а также причины ВозникнОВения нелинейн1ях эффектоВ и их влияние пй пйрйметры плазмы. Нй основе известных из литературы данных описано влияние емкоепюй составля|оп|ей разряда на параметры плазмы и эффективность вложения ВЧ мощности.

По результатам обзора большого количества работ сделан вывод о недостаточности имеющихся в литературе данных для построения исчерпыва|ощей физической картины связи внешних условий поддержания разряда с параметрами плазмы индуктивного ВЧ разряда и эффективностью вложения мощности.

Вторая половина обзора посвящена рассмотрению особешюсгей индуктивно| о ВЧ разряда при наличии внешнего магнитного поля. В заключение обзора сформулированы задачи диссертационной работы. В главе 2 содержится подробное описание экспериментальной установки, методик измерений и численных расчетов. В работе использовалось два способа организации ВЧ разряда. В первом случае индуктивный ВЧ разряд формировался с помощью соленоидальной антенны, во втором случае для реализации гибридного ВЧ разряда параллельно индуктору к одному и тому же генератору подключались обкладки конденсатора, расположенные на фланцах источника плазмы. Гибридный ВЧ разряд был организован для исследования влияния емкостной составлякнцей.

Использовались ВЧ генераторы с рабочимп частотами 2, 4 и 13.56 МГц. Исследования проводились при использовании инертных газов (гелия, неона, аргона и кривцова) в диапазоне давлений 1 — 1ООО мТор. Диагностика параметров плазмы проводилась с помопп*ю стандартных зондовых и спектральных методик. Численное моделирование проводилось при использовании нескольких методов; на основе физических моделей индуктивного и гибридного разряда, а также Р1С-методом с помощью программы КЛЙЛТ. Использование различных независимых методик обеспечивает надежность полученных рез) льппов. Третья глава диссертации посвящена экспериментальному изучению влияния внешних условий на параметры плазмы в области скин-слоя и величину эквивььзептиого сопротивления индуктиьчюго ВЧ разряда.

их связь с наличием емкостной компоненты разряда. Для интерпретации результатов использованы результаты математического моделирования физических процессов с помощьк) моделей как чисто индуктивного ВЧ разряда, так и индуктивного ВЧ разряд с смкостной компонентой — гибридного ВЧ разряда. В главе показано, что функция распределения электронов по энергиям (ФР'.))) при всех рассмотренных условиях является неравновесной. Измеренные ФР.'.)Э характеризуются дефицитом быстрых электронов и избытком медленных но сравнению с функцией распределения Максвелла.

Одним из наиболее важных результатов, представленных в главе 3, является обнаруженная экспериментально немонотонная зависимость концентрации и эффективной температуры электронов от давления инертных газов. Показано; что положения максимума концентрации электронов и минимума эффективной температуры электронов зависят от рода инертного газа и рабочей частоты ВЧ генератора. Попытка объяснения полученных результатов в рамках модели индуктивного разряда показала. что понижение концентрации электронов в области давлений 0.1Тор и выше может быгь связана с ростом потерь энергии на излучение по сравнению с затратами на иопизацию в разряде в результате уменьшения температуры электронов с ростом давлением. Однако в рамках модели индуктивного ВЧ разряда смещение положение максимума концентрации электронов при изменении частоты ВЧ генератора объяснить не удастся.

Физические причины смещения положения максимума концентрации электронов в ростом частоты ВЧ генератора 1-!еклюловой П.Л. удалось найти в рамках модели гибридного ВЧ разряда, учитывающего наличие емкостной составляющей разряда. В диссертации Неклюдовой П,Л, показано, что при давлениях более 100м Тор в разряде повышается роль емкое гного канала. формируются слои пространственного разряда, а убывание кош!сгпрации электронов обусловлено выносом энергии ускоренными в слоях ионами ца стенки источника плазмы, С ростом частоты генератора проявляется самосогласовапная связь соотношения между емкостпой и индуктивной составляющими разряда и параметрами плазмы, что и отражается в смещении положения максимума коппена рации электронов. Помимо исследования зависимости параметров плазмы от внешних условий горения разряда в главе 3 диссертации изучены закономерности изменения эквивалентного сопротивления плазмы при увеличении давления инертных газов.

Прн исследовании ипдуктинного ВЧ разряда в гелии Неклюдовой П.Л, показано, что максимум вложения мощности в плазму наблюдается при условии близости рабочей частоты и частоты упругих электон-атомших столкновений. Рост атомного номера инертного газа приводит к смещению максимума эквивалентного сопротивления в область больших давлений по сравнению с гелием. Причиной такого поведения эквивалентного сопротивления является понижение частоты упругих столкновений электронов с атомами в результате эффекта Рамзауэра. Неюподовой П.А.

получено. что при значениях частоз упругих столкновений электронов с атомами, не прсвьпиающих 3"10' с ', эквивалентное сопротивлении плазмы определяется только концентрацией электронов и частотой столкновений и нс зависит от рода газа, что является подтверждением столкновительного характера поглощения мощности. При увеличении частоты столкновений до 3~10" с зафиксировано увеличение эквивалентного сопротивления плазмы криптопа, что обьясняется в диссертации Неклюдовой П.А. усилением роли емкостной составляитщей разряла.

Последнее находится в согласии с расчетами ца основании модели гибридного ВЧ разряда. В четвертой главе автором изкчсно влияние изменения внешних колоний на пространственное распределение параметров плазмы. Отмечено немонотонное поведение длины релаксации энерго ии электронов с ростом давления аргона и криптона. которое объяснено в диссертационной работе Неклюдовой П.Л. понижением температуры основной массы электронов до значений близких к 1 эВ. При этом энергия основной массы электронов оказывается в области Рамзауэровского минимума сечений упругого рассеяния электронов на атомах тяжелых инертных газов, Представляют большой практический и фундаментальный интерес измерения радиального распределения концентрации и эффективной температуры электронов при изменении давления аргона. На основании экспериментальных данных, полученных в гелии при малых давлениях ~1-10мТор) с помощью спектральн:ых методов диагностики, и диссертации сделано предположение о наличии в области скин-слоя группы быстрых электронов с энергиями.

недоступными для детектирования зондовыми методами. 11редположецие о наличии быстрых электронов в области скин- слоя подтвердили результаты математического моделирования, выполненные Неклюдои>й ПЛ. Р1С методом с помощью программы КЛРЛТ. Численное моделирование проявило деттшьную картину физических процессов в индуктивном ВЧ разряде. В диссертации в широком диапазоне давлений сопоставлено изменение в пространстве и времени ВЧ полей и функции распределения электронов по скоростям. Кроме то>о, численные расчеты проявили нелинейные эффекты, возникаюгцне в скин- слое индуктивного ВЧ разряда, а именно появление постояшюй составляк>щей и высших гармоник ради шьного ВЧ поля. В диссертации подробно рассмотрена зависимость постоянной составляющей радиального ВЧ по»я 1силы Миллера) от частоты В 1 поля и давления аргон'>.

В пятой главе рассматривается влияние внешнего магии пюго ноля на величину и пространственное распределение параметров плазмы, Зафиксированы области магнитного поля, при которых происходит резонансное вложение Вг1 мощности в плазму. Зондовые измерения показали. что в областях наилучшего вложения ВЧ мощности происходит нагрев электронов в центральных частях разряда. Чнслснныс расчеты указывают, что здесь ВЧ поля проникают вглубь плазмы. В главе 5 показано, что указанные эффекты да>от возможность управления пространственным распределением параметров плазмы.