Влияние емкостной составляющей на энерговклад в индуктивный ВЧ разряд низкого давления

На правах рукописиАхмедова Ирада Фаик кызыВлияние емкостной составляющей на характеристикииндуктивного ВЧ разряда низкого давленияСпециальность 01.04.08 – физика плазмыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2008Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносова.Научные руководители:доктор физико-математических наук,профессорАлександров Андрей Федоровичкандидат физико-математических наук,Кралькина Елена АлександровнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорСинкевич Олег Арсеньевичкандидат физико-математических наук,доцентАрсенин Алексей ВладимировичВедущая организация: Федеральное государственное научное учреждение «Государственныйнаучно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики»Защита состоится 18 декабря 2008 г.

в 14-00 на заседании Диссертационного совета Д. 501.001.66 вМосковском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1,Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносова.Автореферат разослан «18» ноября 2008г.Ученый секретарьдоктор физико-математических наукЕршов А.П.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время индуктивный ВЧ разряд низкого давления широко применяется впромышленных плазменных технологиях благодаря своим свойствам: высокой концентрацииэлектронов, достигаемой при относительно невысоком уровне ВЧ мощности, небольшойтемпературе электронов, а, следовательно, невысокому потенциалу плазмы относительно стенок,ограничивающихразряд,отсутствиюконтактаплазмысметаллическимиэлектродами,возможностью использования в качестве рабочих химически активных газов.

Очевидно, чторазвитие плазменных технологий неизбежно приводит к повышению требований к возможностями параметрам источников плазмы, основанных на индуктивном ВЧ разряде. Усовершенствованиетаких источников плазмы может быть выполнено только на основе детального пониманияфизических процессов, происходящих в индуктивном разряде.Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет.

За долгие годы его исследованиянакоплен огромный экспериментальный материал, построены теоретические модели разряда,исследованы закономерности проникновения ВЧ полей в плазму и механизмы поглощения ВЧмощности. Однако в последние десятилетия было показано, что большинство экспериментальныхработ, посвященных исследованию индуктивного ВЧ разряда низкого давления, содержитсистематическую погрешность, связанную с некорректным учетом потерь мощности в индукторе,поддерживающим разряд. Как оказалось, величина мощности, поглощаемая плазмой разряда принизких давлениях не тождественна мощности, отдаваемой ВЧ генератором во внешнюю цепь, аделится между активным сопротивлением внешней цепи и плазмой.

ВЧ мощность поступает вплазму по двум каналам: индуктивному, существующему благодаря току, текущему по индукторуили антенне, и емкостному, существующему благодаря наличию емкостной связи между антеннойи плазмой. Взаимное влияние каналов, а также зависимость импеданса плазмы, передающегоспособность поглощать ВЧ мощность, от ее параметров может привести к появлению рядасамосогласованных эффектов, анализ которых позволяет глубже понять физические процессы,происходящие в разряде. В связи с этим закономерен интерес к изучению особенностейэнерговклада в индуктивный ВЧ разряд низкого давления, особенно при наличии значительнойемкости между индуктором и плазмой.Диссертацияпосвященаэкспериментальномуисследованиюособенностейразряда,возникающих при горении индуктивного ВЧ разряда, обладающего емкостной составляющей, врежимах, при которых существенны потери мощности во внешней цепи разряда, а такжематематическому моделированию поведения разряда.

В связи с этим тема диссертационной работыпредставляется актуальной.Цель работыОсновные задачи диссертационной работы:•экспериментальное исследование особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, прикоторых существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепью разряда;•математическое моделирование особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, прикоторых существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепью разряда;•изучение влияния емкостной составляющей индуктивного разряда на ввод мощности черезиндуктивный канал и режимы горения такого ВЧ разряда.•обобщение самосогласованной модели индуктивного ВЧ разряда низкого давления на случайиндуктивного ВЧ разряда с независимым емкостным каналом;•математическое моделирование режимов горения индуктивного ВЧ разряда, обладающегонезависимой емкостной компонентой.Научная новизна работы.•Экспериментально изучены режимы горения индуктивного ВЧ разряда низкого давления, прикоторых существенны потери мощности во внешней цепи разряда.

Показано, что при изменениимощности ВЧ генератора или величины внешнего магнитного поля происходит перераспределениемощности между плазмой и активным сопротивлением внешней цепи, проявляющееся в насыщенииплотности плазмы при увеличении мощности ВЧ генератора, немонотонном характере изменениипараметров плазмы при изменении внешнего магнитного поля, гистерезисе концентрации иэффективной температуры электронов при увеличении и уменьшении величин мощности ВЧгенератора и индукции внешнего магнитного поля. Показано, что особенности перераспределениямощности при изменении внешних параметров разряда связаны с изменением способности плазмыпоглощать ВЧ мощность, которая немонотонно зависит от плотности плазмы и величины внешнегомагнитного поля.

Установлено, что физическая причина вышеуказанного при отсутствии магнитногополя состоит в резком сужении области проникновения ВЧ полей в плазму при высокойконцентрации электронов. При наличии внешнего магнитного поля немонотонность связана ссуществованием резонансов возбуждения связанных между собой геликонов и косыхЛенгмюровских волн..•Экспериментально исследовано влияние емкостной составляющей на параметры ВЧ индуктивногоразряда. Показано, что наличие емкостного канала приводит к изменению доли мощности,поступающей в плазму через индуктивный канал.

Это, в свою очередь, приводит к изменениюусловий перехода индуктивного разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокойплотностью, сглаживанию немонотонной зависимости плотности плазмы от величины внешнегомагнитного поля и исчезновению гистерезиса.•Обобщена самосогласованная модель ВЧ индуктивного разряда на случай разряда с независимойемкостной компонентой. Выполнено математическое моделирование поведения разряда в широкомдиапазоне параметров разряда и величин мощности, подводимых к плазме через индуктивный иемкостной каналы. Выявлены закономерности влияния емкостной составляющей на долюмощности, поступающую в плазму через индуктивный канал.

Показано, что они определяетсясвязью эквивалентного сопротивления плазмы с параметрами плазмы (плотностью и эффективнойтемпературой электронов, частотой столкновений электронов с нейтралами) и величиной внешнегомагнитного поля.Практическая ценность работыНаучная ценность состоит в том, что полученные результаты могут служить основой дляобъяснения физических свойств индуктивного ВЧ разряда низкого давления, обладающегоемкостной компонентой, построения полной физической модели такого разряда. И таким образом,результаты могут служить научной базой при конструировании и выборе оптимальных режимовтехнологических источников плазмы низкого давления.Апробация диссертации.Основные результаты работы обсуждались на семинарах кафедры физической электроники физическогофакультета МГУ и докладывались на следующих конференциях:1. Тезисы докладов ХХХ международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС.,Россия, февраль 24-28, 2003.2.

Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, апрель 18–25, 20033. III Международный симпозиум “Термохимические процессы в аэродинамике плазмы”. Петербург,Россия, июль 2003.4. IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology.Minsk, Belarus, September 15-19, 20035. Российская конференция по Физической электронике, Махачкала, Россия, сентябрь 23-26, 2003.6.V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, September 18-22, 2006.7. XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases July 15 - 20 2007, Prague, Czech RepublicПубликации.Основные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях и 12 тезисах, список которых приведен в концеавтореферата.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения..

Первая глава носит вводный характер исодержит обзор литературы, вторая глава содержит описание установки и основных использованныхэкспериментальных методов. Третья и четвертая главы оригинальны. В целом диссертация содержит 115страниц, включая 62 рисунка и библиографию из 96 наименований.Содержание работыДиссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.Во введении сформулированы основные цели и задачи диссертации, представленыактуальность данных исследований, научная новизна и практическая ценность, перечисленызащищаемые положения и кратко изложено содержание всех глав диссертации.В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ посвященныйисследованию физических свойств индуктивного высокочастотного разряда низкого давления.Величины ВЧ мощности, поглощаемая плазмой ндуктивного разряда, определяетсявыражением:R[)]2Lω22Ppl =r ε′⊥′ Er + ε′⊥′ Eϕ + ε′||′ E z + g ′′ Eϕ Er* − Er Eϕ* dr ,∫4 0((1)где Eϕ, Er, Ez азимутальная, радиальная и продольная компоненты ВЧ электрического поля вплазме, ε′⊥′  ε′||′  g ′′ – мнимые части компонентов тензора диэлектрической проницаемости плазмы.Интегрирование ведется по всему объему плазмы.

В индуктивном разряде ВЧ электрические поляпропорциональны току, текущему в антенне, поэтому уравнение (1) можно переписать в виде:Ppl =1R pl I 2 ,2(2)где коэффициент пропорциональности Rpl между вложенной мощностью и квадратом тока черезантенну имеет размерность сопротивления и зависит только от свойств плазмы.

В литературемножительRplпринятоназыватьэквивалентнымсопротивлениемплазмы.ВработахА.Ф.Александрова и др. показано, что физический смысл эквивалентного сопротивления плазмысостоит в том, что оно является мерой способности плазмы поглощать ВЧ мощность. Его величиназависит как от характера проникновения полей в плазму, так и от механизма поглощениямощности, т.е. определяется основными фундаментальными свойствами плазмы индуктивногоразряда.