Диссертация (Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле), страница 18

Как видно,наибольшее значение имеет радиальная компонента ВЧ электрического поля.Вблизи оси источника плазмы наибольшее значение имеют компонентыполя, нормированные на ток антенны, при магнитном поле 20 Гс. Какследствие, при указанном магнитном поле концентрация электронов вблизиоси источника плазмы максимальна. С ростом индукции магнитного полярадиальная и азимутальная компоненты ВЧ поля становятся убывающими помере приближении к оси функциями. При этом значения концентрацииэлектронов вблизи оси убывают.1320,5Er/Iант0,40,0620Гс30Гс40Гс50Гс70Гс20Гс30Гс40Гс50Гс70Гс0,050,04E/Iант0,60,30,20,030,020,10,010,00,000,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0r(см)r(см)а)б)0,0620Гс30Гс40Гс50Гс70Гс0,05Ez/Iант0,040,030,020,010,000,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,0r(см)в)Рис.5.2.4.

Радиальная зависимость а) радиальной, б) азимутальной и в) аксиальнойкомпонент ВЧ электрического поля, нормированных на ток антенны, при различныхзначениях индукции магнитного поля.Приведенные выше результаты хорошо согласуются с результатамипредварительного исследования проникновения ВЧ полей в объем источникаплазмы для разных значений внешнего магнитного поля, приведенными вразделе 2.6, в частности для случая 4 МГц, 1010 см-3.5.2.2. Зависимость параметров плазмы от положения антенны в случаеоднородного внешнего магнитного поляПредставленные выше результаты были получены в предположении,что антенна расположена вблизи диэлектрического торца источника плазмыпри r = 2.7 см.

Рассмотрим далее, как влияет положение антенны на133пространственное распределение концентрации и кинетической энергииэлектронов. Соответствующие зависимости показаны на рис.5.2.5–5.2.6.а)б)в)Рис.5.2.5. а) Общий вид разряда, б) зависимости концентрации и в) кинетической энергииэлектронов от z для случая расположения витков антенны при z = 6.5-7.5 см.

В=40 Гс.а)б)в)Рис.5.2.6. а) Общий вид разряда, б) зависимости концентрации и в) кинетической энергииэлектронов от z для случая расположения витков антенны при z = 9-10 см, В=40 Гс.Из рис.5.2.5-5.2.6 видно, что наиболее симметричное продольноераспределение концентрации электронов относительно центра источникаплазмы z = 7 см наблюдается при условии, что антенна располагается вцентре источника плазмы.

Смещение антенны к металлическому торцуисточника плазмы приводит к уменьшению концентрации электронов вблизинего и появлению радиальной неоднородности кинетической энергииэлектронов.Другим важным результатом является наблюдаемый провал враспределении концентрации электронов вблизи витков возбуждающейантенны. Причиной подобного "выдавливания" разряда может являться силаМиллера,пропорциональнаяградиентуэлектрическогополяиспособствующая вытеснению заряженных частиц в область меньшейнапряженности поля.1345.2.3 Зависимость параметров плазмы от конфигурации внешнегомагнитного поляНа рисунках 5.2.8–5.2.10 показан общий вид разряда, а такжепространственное распределение концентрации и кинетической энергииэлектроновприиспользованиирасходящегосяисходящегосяметаллическому электроду магнитного поля (рис.5.2.7).а)б)Рис.5.2.7. а) Расходящаяся и б) Сходящаяся конфигурации магнитного поля,использованные при моделировании.а)б)Рис.5.2.8. Общий вид разряда при использовании а) расходящейся и б) сходящейся кметаллическому торцу конфигурации магнитного поля.к135а)б)Рис.5.2.9.

Продольное распределение концентрации электронов при использовании а)расходящейся и б) сходящейся к металлическому торцу конфигурации магнитного поля.а)б)Рис.5.2.10. Продольное распределение кинетической энергии электронов прииспользовании а) расходящейся и б) сходящейся к металлическому торцу конфигурациимагнитного поля.Видно, что при использовании неоднородной конфигурации внешнегомагнитного поля происходит перераспределение концентрации электронов вобласть наименьшей плотности силовых линий.

При этом кинетическаяэнергия электронов в области расположения магнитов убывает с радиусом попричине затрудненности движения поперек силовых линий.5.2.4. Распространение волн в однокамерном источнике плазмыВ ходе рассмотрения конфигурации источника, приведенной нарис.5.2.1 для случая с однородным магнитным полем было обнаруженоформирование бегущей волны с компонентой Er, превосходящей продольноеи азимутальные компоненты поля (рис.5.2.11).136606040Gs0.523.55.57.5910.550Gs402020ErEr4000-20-200.523.55.57.5910.5-40-60-40-60-80-802.52.62.7t (mksek)2.5а)2.6t (mksek)2.7б)Рис.5.2.11.

Формирование профиля бегущей волны Er при разных значениях внешнегомагнитного поля : а) 40 Гс и б) 50 Гс.Данный результат был получен при различных значениях внешнегомагнитного поля, начиная с 40 Гс. Формирование волновой структуры можносоотнести с возбуждением в объеме косой ленгмюровской волны, длякоторой радиальная компонента электрического поля максимальна.5.3. Моделирование двухкамерного источникаДля случая двухкамерного источника плазмы расчетная областьпредставляла собой цилиндр длины 32 см и радиусом 4 см.

При проведениирасчетов также использовалось несколько осесимметричных моделейисточника плазмы (рис.5.3.1).137Рис.5.3.1. Виды моделей источника плазмы.На внешней боковой поверхности цилиндра расположены три витка стоком, осциллирующим с частотой 12.5 МГц. Сам индуктор помещен вдиэлектрик. Объем, занятый плазмой, можно условно поделить на двеобласти: с малым радиусом 2 см и аксиальной координатой z от 2 до 16 см ис большим радиусом 3 см и координатой от 16 до 32 см. Моделидвухкамерного источника плазмы отличались типом материала верхнего иразделительного фланцев, а также наличием дополнительного электродавблизи антенны.В первой конфигурации (рис.5.3.1.а) разряд был ограничен снизуметаллическим заземленным фланцем, сверху и по бокам – диэлектриком. Вовторой (рис.5.3.1.б) – в месте соединения двух камер устанавливалсядополнительный металлический электрод либо с плавающим потенциалом(случай 2), либо с амплитудой ВЧ напряжения 50 В относительно земли(случай 3).

В следующей конфигурации объем источника большего радиусабыл ограничен идеальным заземленным проводником (рис.5.3.1.в – случай4). И, наконец, в последней конфигурации к 4-му случаю добавлялсядополнительный металлический электрод, на который подавалось ВЧнапряжение с амплитудой 50 В или 500 В относительно земли (рис.5.3.1.г –случай 5).Результаты моделирования ниже представлены в сечениях,проходящих через точки, отмеченные фиолетовыми крестами. Магнитноеполе во всех конфигурациях однородно и направлено вдоль оси.

(рис.5.3.2).138Рис.5.3.2. Направление силовых линий внешнего магнитного поля (желтым).5.3.1. Формирование плазменного столбаВ результате моделирования были получены результаты, хорошосогласующиеся с результатами эксперимента, приведенными в главе 3. Былообнаружено, что рост индукции внешнего магнитного поля способствуетвыстраиванию разряда вдоль оси источника плазмы – формированию столба(рис.5.3.3).

Последнее, как уже было ранее сказано, связано со сравнительнобольшими длинами свободного пробега (~20 см для 1 мТор) и затрудненнымдвижением электронов поперек силовых линий магнитного поля.а)б)Рис.5.3.3. Перераспределение заряженных частиц со временем в зависимости отвеличины внешнего магнитного поля: а) 20 Гс, б) 80 Гс.1395.3.2.

Перераспределение плотности плазмы – эффект «перекачки»Другимважнымперераспределениеразрядарезультатоммеждумоделированиягазоразряднойиявляетсятехнологическойкамерами с увеличением внешнего магнитного поля. На рис. 5.3.4 приведенызначения концентрации заряженных частиц, построенные в аксиальномнаправлении через точки, отмеченные на рис.5.3.1. Разные линии при этомотличаются между собой положением по радиусу. Видно, что разряд вотсутствие магнитного поля сначала выстраивается вблизи индуктора, затем,по мере увеличения индукции, смещается в сторону объема большегорадиуса, и в итоге выравнивается между объемами.а)б)в)г)Рис.5.3.4. Перераспределение разряда в зависимости от величины внешнегомагнитного поля: а) 5 Гс, б) 20 Гс, в) 40 Гс, г) 80 Гс.Здесь стоит отметить, что данный результат моделирования отличаетсяот наблюдаемого в эксперименте, где чем выше значение внешнего140магнитного поля, тем сильнее эффект перераспределения плотности плазмыв стороны технологической камеры.

Отличие между экспериментом имоделированием имеет место по той причине, что в моделированиимагнитное поле однородно по всей длине источника плазмы, в то время как вэксперименте в области ГРК магнитное поле становится расходящимся.Последнее приводит в тому, что увеличение магнитного поля, когдаларморовский радиус электронов становится сопоставим с радиусом ГРК,приводит к дополнительному уходу электронов в области ГРК на стенки и,таким образом, препятствует выравниванию концентрации между объемамиисточника.5.3.3.Влияниеемкостнойсоставляющейнаперераспределениеконцентрации электроновНа рис.5.3.5.

приведены результаты моделирования для случаев 1-3-5,соответствующихконфигурациямсразделительнымдиэлектрическимфланцем в отсутствие емкостной связи между индуктором и заземленнымнижним фланцем, при наличии этой связи и при наличии емкостной связимежду нижним витком индуктора и заземленным разделительным фланце.а)б)141г)в)Рис.5.3.5. Влияние емкостной составляющей на аксиальное распределение концентрацииэлектронов: а) случай 1, б) случай 3, в) случай 5 с амплитудой ВЧ напряжения 50В, г)случай 5 с амплитудой 500 В. Величина внешнего магнитного поля – 40 Гс.Видно, что наличие емкостной связи между индуктором и нижнимметаллическим фланцем способствует увеличению эффекта перекачки, в товремя как замена диэлектрического фланца на заземленный металлический ипространственная локализация емкостной связи в области сочленения двухкамер приводит к образованию провала в области сочленения камер. Приэтом увеличение амплитуды ВЧ напряжения на дополнительном электроде вобласти сочленения камер приводит к запиранию плазмы в области ГРК.Рассмотрим теперь влияние наличия емкостной составляющей нараспределение кинетической энергии ионов, полученное в результатемоделирования (рис.5.3.6).