Диссертация (Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле), страница 19

Поскольку в силу инерции ионы не успеваютреагировать на мгновенные изменения ВЧ поля, распределение кинетическойэнергииионовявляетсяхорошимпоказателемквазистатического пространственного потенциала плазмы.распределения142б)а)в)Рис.5.3.6. Влияние емкостной составляющей на аксиальное распределение кинетическойэнергии ионов: а) случай 1, б) случай 5 с амплитудой 50 В, в) случай 5 с амплитудой500 В. Величина внешнего магнитного поля – 40 Гс.Немонотонная зависимость энергии ионов на границе двух камернаглядно свидетельствует об отрицательном скачке потенциала в этойобласти. Видно, что наименьший скачок потенциала в области контакта двухкамер приходится на третий случай, затем идет случай номер один, и,наконец,самаябольшаякинетическаяэнергияразделительногофланцасоответствует5-муионовслучаю.вобластиНаличиеотрицательного скачка потенциала служит дополнительным препятствиемдля электронов, движущихся из газоразрядной в технологическую камеру.Этот эффект хорошо просматривается на распределении концентрациизаряженных частиц в объеме источника (рис.5.3.7).143а)б)в)г)Рис.5.3.7.

Распределение заряженных частиц в объеме источника: а) случай 1, б) случай 3,в) случай 5 с амплитудой ВЧ напряжения 50 В, г) случай 5 с амплитудой 500 В.5.3.4. Влияние тока антенны на перераспределение концентрацииэлектроновВ ходе моделирования было обнаружено, что увеличение силы тока,текущего через индуктор, оказывает существенное влияние на характерраспределения плотности плазмы. На рис.5.3.8 приведено сравнениерезультатов численного расчета профиля концентрации при величинеиндукции внешнего магнитного поля 20 Гс для случаев, отличающихся другот друга величиной тока антенны.144а)б)Рис.5.3.8. Влияние тока антенны на эффект «перекачки» разряда: а) 60 А, б) 150 А.Рост тока антенны приводит к смещению разряда в областьрасположения антенны (ГРК).

В качестве возможного объяснения подобногорезультата может выступать сила Миллера, влияние которой заключается ввыталкивании заряженных частиц из области сильных электрических полей.Поскольку ВЧ поля, ведущие к ускорению частиц в области антенны,пропорциональны I2, а сила Миллера пропорциональна grad2(E), то врезультате увеличения силы тока, влияние силы Миллера становится всеменее и менее заметным. Стоит отметить, что сила Миллера в видупропорциональности grad2(E) оказывает воздействие лишь вблизи витковиндуктора, где градиенты полей максимальны. Таким образом, увеличениерадиуса так же, как и рост тока антенны, нивелирует воздействие силыМиллера на эффект «перекачки».5.3.5. Влияние плотности намотки витков индуктора на распределениеплотности плазмыДля прояснения влияния силы Миллера на перераспределениеконцентрациимоделированиезаряженныхчастицдвухкамерногодополнительноисточникаплазмы,былопроведеноотличающихсяплотностью намотки витков соленоидальной антенны (рис.5.3.9).145Рис.5.3.9.

Влияние плотности витков и радиуса ГРК на перераспределениеплотности плазмы.Наприведенныхвышерисункахпредставленораспределениеплотности заряженных частиц в объеме источника через 5 мкс после началамоделирования. Видно, что близкое положение витков способствуетбольшему вытеснению плазмы из области антенны (рис.5.3.9.а-б). Посколькусила Миллера пропорциональна градиенту квадрата электрического поля имаксимальна вблизи витков, уменьшение радиуса ГРК приводит к усилениюэффекта "перекачки".

Это также является причиной, по которой вэксперименте не наблюдается изменения перераспределения плотностиплазмы с изменением плотности намотки витков возбуждающего разрядиндуктора - радиус ГРК 5 см слишком велик для проявления эффекта.1465.4. ВыводыВ ходе моделирования с помощью программы «КАРАТ» разряда висследуемом диапазоне внешних условий было подтверждено возбуждение иформирование бегущей косой ленгмюровской волны.Рост индукции внешнего магнитного поля приводит к формированиюплазменного столба – вытягиванию разряда по радиусу вдоль оси источникаво всем объеме.Аксиальноераспределениеконцентрациисростомвнешнегомагнитного поля проходит условно три стадии: выстраивания вблизииндуктора, перекачки в область «технологической» камеры и, в итоге,выравнивания между объемами.В месте сочленения двух камер источника плазмы оседает скачокпотенциала, который приводит к локальному увеличению кинетическойэнергии ионов в области разделительного фланца.Добавление и локализация в области сочленения камер емкостнойсоставляющей ведет к увеличению концентрации вблизи границы камер исглаживанию профиля потенциалаПрирассмотренииисточниковмалогорадиусанаэффектперераспределения концентрации электронов начинает оказывать влияниеналичие силы Миллера, пропорциональной градиенту электрического поля.Последнее приводит к дополнительному вытеснению разряда из областилокализации антенны в сторону «технологической» камеры.Увеличениетока,текущегочерезиндуктор,приводиткдополнительному образованию заряженных частиц в области антенны, чтоделает проявление силы Миллера менее заметным.147Основные результаты и выводыНа основании систематического экспериментального исследования ичисленного моделирования физических процессов в двухкамерном ВЧиндуктивном источнике плазмы было показано:1.

В случае использования однородного магнитного поля при давлениях,когда длина свободного пробега электронов превышает геометрическиеразмеры источника плазмы, увеличение индукции магнитного поля довеличин Вкр, при которых ларморовский радиус электронов становитсяменьше радиуса газоразрядной камеры, наблюдается появление резкоочерченного в радиальном направлении плазменного столба, длинакоторого равна длине источника плазмы. Показано, что изменениемгеометрии силовых линий магнитного поля можно менять формуплазменного столба, в том числе создавать широкую равномернуюобласть вблизи предполагаемого места расположения обрабатываемыхподложек. Показано, что при дальнейшем увеличении индукциивнешнего магнитного поля до Всрыв разряд гаснет (срыв разряда), чтовызвано выходом из области резонансного возбуждения связанныхкосой ленгмюровской волны и геликона. Положение срыва разрядасмещается в область больших магнитных полей при увеличении рабочейчастоты, мощности ВЧ генератора и давления.2.

В области сочленения газоразрядной и технологической камер прииспользовании металлического разделительного фланца, наблюдаютсялокальные минимумы концентрации, температуры электронов ипотенциала пространства, связанные с наличием паразитной емкостимежду антенной и фланцем. Рост магнитного поля приводит квыравниванию аксиального распределения потенциала и параметровплазмы.Использованиедиэлектрическогофланцаприводиткувеличению концентрации плазмы в газоразрядной камере вследствиеисключения паразитного емкостного канала вложения мощности вразряд.1483. Увеличениеиндукцииконцентрациюмагнитногоэлектроноввполяпозволяеттехнологическойповыситькамеренавсехиспользованных частотах, причем на рабочих частотах 4 и 13.56 МГцона становится выше, чем в газоразрядной камере. Эффект аксиальногоперераспределенияплотностиплазмысизменениеминдукциимагнитного поля вызван самосогласованным действием следующихфакторов:изменениемаксиальногораспределенияВЧполей,связанного с возбуждением волн в плазме, изменением величинквазистационарныхскачковпотенциалавразрядевблизиметаллических элементов конструкции источника плазмы и действиемсилы Миллера, выталкивающей электроны и ионы из области сильногоВЧ поля.

Наибольшие значения плотности плазмы (ne=51010 cм-3 примощности ВЧ генератора 400 Вт) в технологической камере полученыпри рабочей частоте 4 МГц.4. При превышении определенного порогового значения индукциивнешнего магнитного поля Впорог в источнике плазмы с металлическимразделительнымфланцемнаблюдаетсяформированиеволновойструктуры, соответствующей резонансу связанных геликонных и косыхленгмюровскихпрофилемволн.амплитудыПоследнееподтверждаетсяикомпонентыфазынаблюдаемымвысокочастотногомагнитного поля Bz. Последний носит характер частично стоячей волныи указывает на наличие отраженных волн от нижнего фланца илокального минимума концентрации электронов в области сочленениягазоразрядной и технологической камер.

Показано, что увеличениерабочей частоты приводит к уменьшению Впорог. При работе на частоте4 МГц формируется волновая структура, соответствующая профилючастично стоячей волны с числом длин полуволн n=2. Увеличениерабочей частоты до 13.56 МГц приводит к тому, что изменениеиндукции магнитного поля сопровождается увеличением числа длинполуволнс2до4.Прииспользованиидиэлектрического149разделительного фланца на частоте 4 МГц возбуждения волн непроисходит.5.

В двухкамерном ВЧ индуктивном источнике плазмы при условиях либонизкой рабочей частоты (2 МГц), либо давлениях, когда длинасвободного пробега электронов меньше продольного размера источникаплазмы, либо при значениях магнитного поля, когда ларморовскийрадиус больше радиуса ГРК и вне зависимости от материала фланцаконцентрация, температура электронов и потенциал пространствадостигают максимума в газоразрядной камере и монотонно спадают помере продвижения в технологическую камеру.