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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКафедра физической электроникиНа правах рукописиПетров Александр КирилловичФизические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивномисточнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле01.04.08 – физика плазмыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Д.ф.-м.н.Кралькина Е.А.Москва – 20162ОглавлениеВведение ..................................................................................................................

4Глава 1. Обзор литературы ............................................................................... 24Глава 2. Описание экспериментальной установки и методовисследований ........................................................................................................

482.1. Описание экспериментальной установки ................................................. 482.2. Методика определения доли ВЧ мощности, поглощенной плазмой .... 512.2.1. Эквивалентная электрическая схема .................................................. 512.2.2. Понятие эквивалентного сопротивления .......................................... 532.2.3.

Методика измерение мощности, вложенной в плазму .................... 542.2.4. Методика измерения ВЧ тока .............................................................. 562.3. Методика зондовой диагностики ............................................................. 572.2. Методика измерения ВЧ токов и магнитных полей ............................... 592.5.

Выбор условий эксперимента ................................................................... 62Глава 3. Экспериментальные исследования параметров плазмы .......... 793.1. Особенности индуктивного ВЧ разряда, наблюдаемые при изменениииндукции магнитного поля и давления газа ................................................... 793.2. Аксиальное распределение зондового тока насыщения ........................ 823.3. Аксиальное распределение концентрации и эффективной температурыэлектронов, потенциала пространства ............................................................

903.4. Влияние емкостной составляющей на параметры разряда ................... 943.5. Выводы ........................................................................................................ 98Глава 4. Экспериментальные исследования пространственногораспределения ВЧ полей и токов, закономерностей энерговклада ....... 1004.1.

Аксиальное распределение продольных компонент ВЧ полей и токов............................................................................................................................ 1014.2. Анализ результатов измерения продольных компонент ВЧ полей итоков ................................................................................................................. 1054.3. Влияние емкостной составляющей на аксиальное распределение ВЧполей и токов ................................................................................................... 11434.4. Радиальные распределения продольных компонент ВЧ полей и токов............................................................................................................................

1174.5. Связь пространственного распределения полей и концентрацииэлектронов......................................................................................................... 1184.6. Эффективность вложения ВЧ мощности .............................................. 119Глава 5. Моделирование в программе «КАРАТ» ....................................... 1245.1. Моделирование плазмы методом крупных частиц ..............................

1245.2. Моделирование однокамерного источника ........................................... 1275.2.1. Зависимость параметров плазмы от величины внешнего магнитногополя ................................................................................................................ 1295.2.2. Зависимость параметров плазмы от положения антенны в случаеоднородного внешнего магнитного поля .................................................. 1325.2.3. Зависимость параметров плазмы от конфигурации внешнегомагнитного поля ............................................................................................

1345.2.4. Распространение волн в однокамерном источнике плазмы .......... 1355.3. Моделирование двухкамерного источника ........................................... 1365.3.1. Формирование плазменного столба ................................................. 1385.3.2. Перераспределение плотности плазмы – эффект «перекачки» ..... 1395.3.3. Влияние емкостной составляющей на перераспределениеконцентрации электронов ...........................................................................

1405.3.4. Влияние тока антенны на перераспределение концентрацииэлектронов .................................................................................................... 1435.3.5. Влияние плотности намотки витков индуктора на распределениеплотности плазмы ........................................................................................ 1445.4. Выводы ......................................................................................................

146Основные результаты и выводы .................................................................. 147Благодарности ................................................................................................... 150Список цитированной литературы .............................................................. 151Список публикаций по теме диссертации ................................................... 1664ВВЕДЕНИЕАктуальность темыИндуктивный ВЧ разряд низкого давления, помещенный во внешнеемагнитное поле, является неотъемлемой частью многочисленных земных икосмическихтехнологий.Разрядиспользуетсявполупроводниковойпромышленности при производстве микросхем, в качестве активной средыкосмических электрореактивных двигателей [1-3], источников света [4], впроцессах поверхностной модификации материалов [5-6], напыления иосаждения покрытий [7-31].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 [32-34]. 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 [35-40]. В литературе подобный разрядполучил название «геликонного» [41].

В настоящее время в литературепринята точка зрения, что поглощение ВЧ мощности в разряде приконцентрациях электронов менее31012 см-3 происходит вследствиечеренковского механизма поглощения энергии косой ленгмюровской волны[39-40,42-46].Ростчислаэлектрон-атомныхстолкновенийприувеличениидавленияилиилиэлектрон-ионныхплотностиплазмысоответственно приводит к понижению роли косой ленгмюровской волны иснижению эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой [39-40,42,47].При этом основной объем исследований, выполненный в литературе,соответствуют именно высоким величинам индукции внешнего магнитногополя и ВЧ мощности, при которой концентрация электронов достигаетвеличин порядка 51012 см-3, а частота электрон-ионных соударений5превышаетвеличинуkvTe,характеризующуюбесстолкновительноепоглощение. (k – волновое число, vTe - тепловая скорость электронов).В последние годы наметилась тенденция использования индуктивного ВЧразряда с внешним магнитным полем в плазменных технологиях приотносительно небольших значениях ВЧ мощности и индукции магнитногополя [40].

Наибольшее распространение в технологических приложенияхполучил двухкамерный источник плазмы, состоящий из двух объемов разногорадиуса – газоразрядного (ГРК), где формируется разряд, и технологического,где располагаются образцы [7-31]. 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 работыЦелямидиссертационнойработыявлялосьэкспериментальноеисследование и численное моделирование методом крупных частиц (PIC)физических процессов и механизмов, влияющих на аксиальное распределениепараметров разряда,втомчислепространственногораспределенияпродольной компоненты ВЧ магнитного поля и зависимостей вложения ВЧмощностивплазмудвухкамерноговысокочастотногоиндуктивногоисточника 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.6Научная 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 итехнологическойкамерприусловиииспользованияметаллическогоразделительного фланца, наблюдаются локальные минимумы концентрации,температуры электронов и потенциала пространства, связанные с наличиемпаразитной емкости между антенной и фланцем. Увеличение индукциивнешнегомагнитногораспределенияполяпотенциалаприводитиквыравниваниюпараметровплазмы.аксиальногоИспользованиедиэлектрического фланца приводит к исчезновению локального минимума вобластисочленениякамериувеличениюконцентрацииплазмывгазоразрядной камере вследствие исключения паразитного емкостного каналаразряда.Впервые показано, что в случае использования слабо расходящегосямагнитного поля в газоразрядной камере и однородного магнитного поля втехнологической камере при давлениях, когда длина свободного пробегаэлектроновпревышаетгеометрическиеразмерыисточникаплазмы,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.