Автореферат (Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле)

На правах рукописиПетров Александр КирилловичФизические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивномисточнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле01.04.08 – физика плазмыАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре физической электроники Физическогофакультета Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждениявысшегообразования«Московскийгосударственныйуниверситет имени М.В.Ломоносова».Научный руководитель:доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник кафедрыфизическойэлектроникиФизическогофакультетаМГУимениМ.В.Ломоносова Кралькина Елена АлександровнаОфициальные оппоненты:Скворцова Нина Николаевна,доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник,Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общейфизики имени А.М.Прохорова Российской академии наукАрсенин Алексей Владимирович,кандидат физико-математических наук, доцент, Федеральноегосударственное автономное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Московский физико-технический институт(государственный университет)», зам.

декана ФОПФ по науке иинновационному развитиюВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшегообразования«Московскийавиационныйинститут(национальный исследовательский университет)»Защита состоится «23» июня 2016 года в 14-30 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 на базе Московского государственного университетаимени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1,стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан «20» апреля 2016 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2Общая характеристика диссертационной работыДиссертационная работа посвящена исследованию физических процессовв двухкамерном индуктивном высокочастотном источнике плазмы,помещенном во внешнее магнитное поля, индукция которого соответствуетусловиям, при которых возможно возбуждение связанных между собойгеликона и косой ленгмюровской волны.Актуальность темыИндуктивный ВЧ разряд низкого давления, помещенный во внешнеемагнитное поле, является неотъемлемой частью многочисленных земных икосмических технологий.

Разряд используется в полупроводниковойпромышленности при производстве микросхем, в качестве активной средыкосмических электрореактивных двигателей [1], источников света [2], впроцессах поверхностной модификации материалов [3], напыления иосаждения покрытий [4].Широкий круг практических задач, решаемых с помощью индуктивногоВЧ разряда, помещенного во внешнее магнитное поле, определяетсявозможностью получения в разряде плотной плазмы с минимальнымиэнергозатратами.

Известно, что в индуктивном ВЧ разряде ВЧ поляскинируются и не проникают вглубь плазмы [5-6]. Наложение внешнегомагнитного поля, индукция которого соответствует областям резонансноговозбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн, сопровождаетсяпоявлением областей прозрачности, где ВЧ поля проникают вглубь плазмы иэффективно нагревают электроны [7-9]. В литературе подобный разрядполучил название «геликонного» [10]. В настоящее время в литературепринята точка зрения, что поглощение ВЧ мощности в разряде приконцентрациях электронов менее 1012см-3 происходит вследствиечеренковского механизма поглощения энергии косой ленгмюровской волны[9,11].

Рост числа электрон-атомных или электрон-ионных столкновений приувеличении давления или плотности плазмы соответственно приводит кпонижению роли косой ленгмюровской волны и снижению эффективностипоглощения ВЧ мощности плазмой [9,11]. При этом основной объемисследований, выполненный в литературе, соответствуют высоким величинаминдукции внешнего магнитного поля и ВЧ мощности, при которойконцентрация электронов достигает величин порядка 51012 см-3, а частотаэлектрон-ионных соударений превышает величину kvTe, характеризующуюбесстолкновительное поглощение. (k – волновое число, vTe - тепловая скоростьэлектронов).

Роль косой ленгмюровской волны в этом случае оказываетсяпониженной.В последние годы наметилась тенденция использования индуктивного ВЧразряда с внешним магнитным полем в плазменных технологиях приотносительно небольших значениях ВЧ мощности и индукции магнитного3поля [12]. Наибольшее распространение в технологических приложенияхполучил двухкамерный источник плазмы, состоящий из двух объемов разногорадиуса – газоразрядного (ГРК), где формируется разряд, и технологического,где располагаются образцы [4].

В указанных источниках используетсярасходящееся в технологической камере магнитное поле. Достигаемаяконцентрация электронов в таких источниках не превышает 51011 см-3, амагнитное поле – 250 Гс. Обзор литературы показывает, что свойства разряда,реализуемого в таких источниках, изучены далеко не полностью.

Кроме того,развитие и оптимизация характеристик источников плазмы, предназначенныхдля реализации плазменных технологий, ставят задачу нахождения ключевыхвнешних факторов, позволяющих управлять его основными параметрами, аименно: концентрацией и энергетическим распределением электронов иионов, пространственным распределением указанных величин. В связи совсем вышеизложенным тема диссертационной работы является актуальной.Цель работыЦелями диссертационнойработы являлось экспериментальноеисследование и численное моделирование методом крупных частиц (PIC)физических процессов и механизмов, влияющих на аксиальное распределениепараметров разряда, в том числе пространственного распределенияпродольной компоненты ВЧ магнитного поля и зависимостей вложения ВЧмощности в плазму двухкамерного высокочастотного индуктивногоисточника плазмы от давления рабочих газов (0.07-5 мТор для аргона и 11-74мТор для гелия), индукции внешнего магнитного поля (0-70 Гс), частоты (2, 4,13.56 МГц) и мощности (0-600 Вт) ВЧ генератора.Научная новизна работыВпервые было проведено комплексное систематическое исследованиепространственного распределения параметров разряда (концентрации итемпературы электронов, потенциала пространства), продольных компонентвысокочастотных магнитного поля Bz и тока Jz, а также эффективностипоглощения ВЧ мощности плазмой в двухкамерном индуктивном ВЧисточнике плазмы с однородным в области технологической камеры внешниммагнитным полем.

Обнаружено, что в области сочленения газоразрядной итехнологической камер при условии использования металлическогоразделительного фланца, наблюдаются локальные минимумы концентрации,температуры электронов и потенциала пространства, связанные с наличиемпаразитной емкости между антенной и фланцем.

Увеличение индукциивнешнего магнитного поля приводит к выравниванию аксиальногораспределения потенциала и параметров плазмы. Использованиедиэлектрического фланца приводит к исчезновению локального минимума вобласти сочленения камер и увеличению концентрации плазмы вгазоразрядной камере вследствие исключения паразитного емкостного каналаразряда.4Впервые показано, что в случае использования слабо расходящегосямагнитного поля в газоразрядной камере и однородного магнитного поля втехнологической камере при давлениях, когда длина свободного пробегаэлектронов превышает геометрические размеры источника плазмы,увеличение индукции магнитного поля позволяет повысить концентрациюэлектронов в технологической камере, причем на рабочих частотах 4 и 13.56МГц плотность плазмы в технологической камере становится выше, чем вгазоразрядной.

Эффект аксиального перераспределения плотности плазмы сростом индукции магнитного поля вызван самосогласованным действиемследующих факторов: изменением аксиального распределения ВЧ полей,связанного с возбуждением волн в плазме, изменением величинквазистационарных скачков потенциала в разряде вблизи металлическихэлементов конструкции источника плазмы, действием силы Миллера,выталкивающей электроны и ионы из области больших ВЧ полей.Наибольшие значения плотности плазмы в технологической камере полученыпри рабочей частоте 4 МГц.Достоверность полученных результатовЭкспериментальные результаты получены с привлечением несколькихнезависимых диагностических методик и сопоставлены с результатами другихгрупп исследователей.

Проведено численное моделирование параметровразряда, а также расчеты закономерностей проникновения ВЧ полей ираспределения в объеме источника в зависимости от внешних условий.Результаты имеют хорошее согласие с данными экспериментов, проведенныхв настоящей работе и в работах других авторов, что позволяет считатьполученные результаты полностью обоснованными и достоверными.Практическая и теоретическая ценность работыПолученные результаты могут служить основой для объясненияфизических свойств индуктивного ВЧ разряда в двухкамерном источникеплазмы, а также для планирования дальнейшего исследования механизмовпоглощения ВЧ мощности в условиях резонансного возбуждения волн вплазме. Кроме того, результаты работы позволяют выделить основныевнешние параметры, влияющие на характеристики плазмы технологическихдвухкамерных индуктивных ВЧ источников плазмы. Результаты,представленные в диссертации, использованы в ОАО «Научноисследовательский институт точного машиностроения» при разработкегибридной напылительной плазменной системы для целей ионногоассистированияпроцессамнапыленияпокрытийдлянуждполупроводниковой промышленности.

Кроме того, результаты могут бытьполезны при разработке и оптимизации геликонных источников,выступающих в качестве функционального узла ВЧ электрореактивныхдвигателей и источников ионов.5Апробация диссертацииПо материалам диссертации были сделаны доклады на научных семинарахкафедры физической электроники физического факультета МГУим.М.В.Ломоносова,ИНХСРАНим.А.В.Топчиева,ИОФРАНим.А.М.Прохорова.

Основные результаты докладывались на международныхнаучных конференциях:1. Всероссийская (с международным участием) конференция "Физиканизкотемпературной плазмы" ФНТП-2014, Казань, 2014.2. XLI Международная Звенигородская конференция по физике плазмы иУТС, Москва, 20143. 4th Workshop on Radio Frequency Discharges, La Presqu'île de Giens,France, 2013.4. XL Международная Звенигородская конференция по физике плазмы иУТС, Москва, 2013.5. XXXIX Международная Звенигородская конференция по физикеплазмы и УТС, Москва, 2012.6. 11th APCPST and 25th SPSM, Kyoto, Japan, 2012.7.