Диссертация (Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле), страница 10

Методика зондовой диагностикиДля измерения эффективной температуры, концентрации электронов ипространственного потенциала использовались зонды Ленгмюра [45, 140,141]. Зонды представляли собой стеклованные вольфрамовые проволокидиаметром 0,6 мм с длиной рабочей поверхности 6 мм. Конструкцияисточника плазмы позволяла подводить зонды к исследуемой областиразряда через верхний и нижний фланцы. Для измерения зондовыххарактеристик разряда в верхней части источника (в ГРК) использоваласьсистема зондов Г-образной формы, которые вводились в камеру черезтехнологические отверстия в верхнем фланце А источника плазмы.

Вкачестве опорного электрода использовался заземленный верхний фланец.Дляпроведенияхарактеристикваксиальныхнижней,ирадиальныхтехнологическойизмеренийкамерезондовыхиспользовалисьподвижные зонды Z-образной конструкции, вводимые через отверстия внижнем фланце D. В этом случае роль опорного электрода играл сам фланецD,такженаходившийсяподземлянымпотенциалом.Стандартнаяэлектрическая схема зондовых измерений [140] показана на рис. 2.3.1(а).58Рис.2.3.1. Схема зондовых измерений (а) и фильтра Ф (б).Для подавления ВЧ составляющих зондового тока, искажающихизмеряемую кривую при работе с ВЧ разрядами, использовался фильтр Ф(рис.

2.3.1.б). Результаты измерений поступали на АЦП, подключенный ккомпьютеру (рис. 2.1.1).Обработка результатов зондовых измерений начинается с проведениястандартной процедуры выделения электронной ветви ВАХ, описанной в[140], и определения потенциала пространства Vs. Уравнение, связывающееэлектронный ток на зонд 4 с концентрацией ne и функцией распределенияэлектронов по энергиям (ФРЭЭ) (в), следующее:n eS (  eV )ie (V )  ef ( )d  ,2 2m eV(2.13)где V - потенциал зонда, е - заряд электрона, S - поверхность зонда.Концентрация и эффективная температура электронов Тэфф могут бытьрассчитаны по формулам [140]:ne   f ( )  d Tэфф 2 f ( )  d3ne (2.14)(2.15)В качестве первичной диагностики распределения плотности плазмы вэксперименте часто использовалась упрощенная методика измерения59ионного тока.

На зонд Ленгмюра в этом случае подавался большойотрицательный потенциал (порядка -100 В) таким образом, чтобыизмеряемый сигнал приходился на область ионного тока насыщения.Учитывая, что при изменении потенциала величина ионного тока в даннойобластименяетсянезначительно,становитсявозможнымпровестипредварительную оценку распределения плотности разряда без проведенияполной, подчас довольно громоздкой процедуры зондовой диагностики.2.4 Методика измерения ВЧ токов и магнитных полейДля измерения аксиальной компоненты ВЧ токов Jz в разрядеиспользовался небольшой пояс Роговского, строение которого схоже сконструкцией, описанной в 2.2.4 (рис.2.4.1).Рис.2.4.1. Внутренний вид пояса Роговского для измерения ВЧ токов в разряде.Онпредставлялсобойфторопластовоекольцосразмерами(D14xd6xH4) с 10 витками медной проволоки диаметром 0,3 мм.

Длякомпенсации магнитного потока, параллельного измеряемому току, такжебыло выполнено «обратное кольцо». Пояс Роговского помещался в сборныйдюралевый корпус, который накручивался на 5мм заземленную полуюмедную трубку, выведенную из источника плазмы через технологическоеотверстие в нижнем фланце D. Г-образная подвижная конструкция поясапозволяла проводить радиальные измерения распределения ВЧ тока в60нижней камере, а также аксиальные измерения в диапазоне от 16 до 42 см отверхнего фланца. Внешний вид пояса Роговского представлен на рис.2.4.2.Рис.2.4.2. Пояс Роговского для измерения аксиальной компоненты ВЧ токов в разряде.Для минимизации высокочастотных емкостных наводок на проводапояса Роговского в цепь последнего была включена трансформаторнаяразвязка [147], рассмотренная на рис.2.4.3.Рис.2.4.3.

Схема трансформаторной развязки для компенсацииемкостных наводок на зонд.По причине того, что центральная часть первичной обмотки заземлена,а провода, идущие от концов используемого диагностического зонда,переплетены, емкостные наводки на провода одинаковой длины ведут кобразованию равных по амплитуде, но противоположных по знаку токов.

Врезультате токи друг друга компенсируют, а на вторичную обмотку проходиттолькополезный сигнал. Такприиспользовании даннойразвязкисоотношение емкостных наводок к величине полезного сигнала составляло61всего 1 мВ/1 В на рабочей частоте в 13.56 МГц и 0.25 мВ/1 В на частоте в 4МГц.

В качестве сердечника трансформаторной развязки использовалосьферритовое кольцо размерами (D20xd8xH6), на две стороны которого былинамотаны провода, подсоединенные к зонду, и измерительной электрическойцепи соответственно. Сама трансформаторная развязка была помещена взаземленный стальной корпус со стенками толщиной 2 мм для исключенияемкостных наводок внутри цепи. После трансформаторной развязки сигналпоступал на ВЧ изолированный 50 Ом-кабель. Сигнал с последнего снималсяс помощью селективного вольтметра В6-10.

Данный прибор позволялвыборочно измерять сигнал на частоте от 0.1 до 30 МГц с шириной областипропускания сигнала в 1 кГц.Вкачествевысокочастотныхзондадлямагнитныхдиагностикиполейваксиальнойразряде(Вz)компонентыиспользовалсяминиатюрный индуктор из 25 витков диаметром 2 мм. Витки быливыполнены из 0.3 мм медной проволоки, покрытой лаковой изоляцией.Суммарная длина индуктора составляла порядка 8 мм. На выходе изиндуктора провода переплетались и пропускали через фторопластовуютрубку для дополнительной изоляции от стенок заземленной 5 мм меднойтрубки, через которую, аналогично проводам зонда для измерения ВЧ-токов,сигнальный провод выводился из технологической камеры.

Экранировкапроводов, области трансформаторной развязки, а также вывод сигналаосуществлялся способом, аналогичным описанному выше для случаяизмерения аксиальной компоненты ВЧ-тока Jz. Сигнал измерялся послетрансформаторной развязки также посредством селективного вольтметра В610.Для определения фазы измеряемой компоненты ВЧ тока или ВЧмагнитного поля относительно тока, текущего через антенну, использовалсяцифровой двухканальный осциллограф. На один из каналов прибораподавался сигнал от пояса Роговского, измеряющего ток антенны, на другой62– сигнал с диагностического зонда. Прибор позволял по смещению вовременной развертке определять сдвиг сигнала зонда относительно сигнала спояса Роговского, которой впоследствии по известной рабочей частотепереводился в градусы.2.5.

Выбор условий экспериментаВ настоящей работе условия эксперимента выбирались таким образом,чтобы основной вклад в поддержание разряда вносила косая ленгмюровскаяволна. Известно [39,42-46], что проникновение волн в разряд и, какследствие, их вклад в поглощение ВЧ мощности плазмой, сильно зависит отпараметров разряда, и в частности, от концентрации электронов и давлениярабочего газа. Для того чтобы оценить параметры разряда, когда косаяленгмюровская волна является объемной, с помощью программы [39-40]решалась прямая и самосогласованная электродинамические задачи.При решении прямой задачи задавались параметры разряда, такие какгеометрические размеры источника, рабочие давления и частота, температураи концентрация электронов, а также устанавливался диапазон значенийвнешнего магнитного поля, в котором производился расчет. Плотностьплазмы при этом считалась постоянной во всем диапазоне значенийвнешнего магнитного поля.Решение самосогласованной задачи отличалось от решения прямой темобстоятельством, что в нем учитывалась связь параметров плазмы смощностью, отдаваемой генератором во внешнюю цепь.

В ходе решениясамосогласованной задачи величина концентрации электронов не задаваласьизвне, а определялась в результате решения самосогласованной задачи,исходя из заданных мощности ВЧ генератора и сопротивление антенны, дляразных значений внешнего магнитного поля.В результате расчетов были получены радиальные зависимостикомпонентэлектрическогополягеликонногорешенияикосой63ленгмюровской волны для разных значений внешнего магнитного поля.Ниже подобные распределения амплитуды волны в плоскости r/B будутприведены в виде цветных 2D графиков.

На рис.2.5.1 приведено сравнениерезультатов прямой задачи с концентрацией электронов 1011 см-3 исамосогласованной (зависимость концентрации от магнитного поля дляслучая самосогласованной задачи приведена на рис.2.5.2) для случая разрядас рабочей частотой 4 МГц, давлением 0.7 мТор.самосогласованнаяпрямая1.00.80.80.60.6r/Rr/R1.00.40.40.20.20.00.02040608010012020140406080B (Гс)B (Гс)а)б)100120140Рис.2.5.1. Радиальное распределение компоненты Ez косой ленгмюровской волны дляразных значений внешнего магнитного поля, полученное в результате решенияа) самосогласованной и б) прямой задачи.2.25x1011nef=4МГц, p=0.7мТор, Te=5эВR=5см, L=50см, Pgen=400Втne(см-3)2.00x10111.75x10111.50x10111.25x10111.00x10110255075100125150В (Гс)Рис.2.5.2.