Диссертация (Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле), страница 2

Эффект аксиального перераспределения плотности плазмы сростом индукции магнитного поля вызван самосогласованным действиемследующих факторов: изменением аксиального распределения ВЧ полей,связанногосвозбуждениемволнвплазме,изменениемвеличинквазистационарных скачков потенциала в разряде вблизи металлических7элементов конструкции источника плазмы, действия 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 несколькихнезависимыхдиагностическихметодик.Полученныерезультатысопоставлены с результатами других групп исследователей.

Выполненочисленное моделирование параметров разряда, а также проведены численныерасчеты закономерностей проникновения ВЧ полей и распределения в объемеисточника в зависимости от внешних условий. Проведенные расчеты ирезультаты моделирования имеют хорошее согласие с экспериментом. Этопозволяет считать полученные результаты полностью обоснованными идостоверными.Практическая и теоретическая ценность работыПолученные результаты могут служить основой для объясненияфизических свойств индуктивного ВЧ разряда в двухкамерном источникеплазмы, а также для дальнейшего исследования механизмов поглощения ВЧмощности в условиях резонансного возбуждения волн в плазме. Кроме того,результаты работы позволяют выделить основные внешние параметры,влияющие на характеристики плазмы технологических двухкамерныхиндуктивных ВЧ источников плазмы.

Результаты, представленные вдиссертации, использованы в ОАО «Научно-исследовательский институтточного машиностроения» при разработке гибридной напылительнойплазменной системы для целей ионного ассистирования процессам напыленияпокрытий для нужд полупроводниковой промышленности. Кроме того,результаты могут быть полезны при разработке и оптимизации геликонных8источников,выступающихвкачествефункциональногоузлаВЧэлектрореактивных двигателей и источников ионов.Основные положения диссертации, выносимые на защиту Результаты систематического экспериментального исследования влияниявнешних условий разряда на величины и пространственное распределениепараметров плазмы (концентрации, эффективной температуры электронов,потенциалапространства,двухкамерногоэквивалентноговысокочастотногосопротивленияиндуктивногоисточникаплазмы)плазмы,помещенного во внешнее магнитное поле в диапазонах давления 1·10-2 – 75мТор инертных газов (аргона и гелия), мощности ВЧ генератора 0 – 500 Вт причастотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 – 70 Гс. Результаты систематического экспериментального исследования влияниявнешнихусловийразряданапространственноераспределениевысокочастотных компонент магнитного поля Bz в двухкамерномвысокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнеемагнитное поле при давлении аргона 0.7 мТор, мощности ВЧ генератора 400Вт при частотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 – 70Гс. Результатычисленногомоделированияфизическихпроцессоввдвухкамерном высокочастотном индуктивном разряде, помещенном вовнешнее магнитное поле. Результаты анализа влияния емкостной составляющей, рабочей частоты,давления инертного газа, величины внешнего магнитного поля имощности ВЧ генератора на величины и пространственное распределениепараметров плазмы и высокочастотной компоненты магнитного поля Bz.Апробация диссертацииПо материалам диссертации были сделаны доклады на научных семинарахкафедры физической электроники физического факультета МГУ имени9М.В.Ломоносова, ИНХС РАН имени А.В.Топчиева, ИОФ РАН имениА.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. WDS'12, Prague Czesh Republic, Prague, 2012.8.

Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2012»,Москва, 2012.9. XXXVIII Международной конференции по физике плазмы и УТС 2011,с.353–353, 2011.10. Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2011»,Москва, 2011.ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в рецензируемыхнаучных журналах из перечня ВАК России и 16 тезисах в сборниках трудовконференций.Личный вклад автораВсе представленные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены лично автором, либо при его непосредственном участии.

Автором10осуществлялисьсборкаэкспериментальнойустановки,разработкаиапробация методики по измерению высокочастотных компонент магнитногополяBzитокаJz,проведениеэксперимента,обработка,анализэкспериментальных данных, численное моделирование. При участии авторапроводилась интерпретация результатов численного моделирования иэксперимента.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованнойлитературы. Первая глава носит вводный характер и содержит обзор литературы,вторая глава содержит описание установки и основных использованныхэкспериментальных методов.

Часть второй главы, третья, четвертая и пятая являютсяоригинальными. Диссертация содержит 166 страниц, включая 95 рисунков, 2 таблицыи библиографию из 149 наименований.Содержание работыДиссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащегоосновные результаты и выводы.Во введении сформулированы основные цели и задачи диссертации,представлены актуальность данных исследований, научная новизна ипрактическая ценность, перечислены защищаемые положения и краткоизложено содержание всех глав диссертации.В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.Вначалеглавыпредставленаисторияразвитияисследований,посвященных индуктивному ВЧ разряду.

Сделан вывод, что в последниедесятилетия интерес научной общественности постепенно смещается отисследованийклассическогоиндуктивногоВЧразрядакизучениюиндуктивного ВЧ разряда во внешнем магнитном поле. В первых11экспериментальных работах по изучению разряда, выполненных Р. Босвеллом[48-55] еще в 70х годах ХХ века, была получена плазма с концентрациейэлектронов до 31013 см-3 при относительно невысоких значениях мощностиВЧ генератора (~1 кВт) и индукции внешнего магнитного поля (до 1кГс).Разработанные теоретические модели [39-40,45-46] разряда показали, что приусловиях экспериментов Р. Босвелла, т.е. при условии выполнения неравенств:ωLi « ω «e « ωLe,(В.1)где Li - ионная ленгмюровская,  - рабочая, e - электронная циклотронная,Le - плазменная частоты, в пространственно-ограниченном разряде возможнорезонансное возбуждение связанных между собой геликонов и косыхленгмюровских волн.

При этом вклад косой ленгмюровской волны впоглощение ВЧ мощности является определяющим при концентрацияхэлектронов менее 31012 см-3 и давлениях менее 10 мТор [39-40,42-46].Резонансное возбуждение объемных волн, при котором происходитпроникновение ВЧ полей в плазму, сопровождается нагревом электронов вовсем объеме плазмы, что указывает на высокие перспективы использованияразряда в технологических приложениях.Многочисленныеэкспериментальныеработыпоисследованиюиндуктивного ВЧ разряда с внешним магнитным полем, называемым влитературе «геликонным», можно условно разделить на две большие группы.К первой группе работ принадлежат статьи по исследованию особенностей«геликонного»разрядавкварцевойтрубесдлинойпорядка1м,организованного аналогично первым экспериментам Р. Босвелла [48-55].

Ковторой группе работ можно отнести, в частности, статьи [7-31], посвященнуюизучению физических процессов в двухкамерной конфигурации ВЧиндуктивного, источника, состоящего из двух объемов разного радиуса –газоразрядного,гдеформируетсяразряд,итехнологического,гдерасполагаются образцы, подлежащие плазменной обработке.

Характерныевеличины индукции магнитного поля в технологической камере существенно12уступают значениям магнитного поля, используемым в работах первойгруппы. Кроме того, достигаемые значения концентрации электронов непревышают 11012 см-3. Это должно приводить к изменению проникновенияволн в плазму и изменению относительного вклада геликона и косойленгмюровской волны в поглощение ВЧ мощности [39-40,42-46].

Однакообзор литературы показал, что основные выводы о физических процессах,полученныхприменимымивработахдляпервойописаниягруппы,результатовсчитаютсяавтоматическиисследованийразрядавдвухкамерных источниках.Таким образом, несмотря на огромное количество работ, посвященныхизучению разряда, физические процессы и механизмы, происходящие вдвухкамерной конфигурации индуктивного ВЧ источника, помещенного вовнешнее магнитное поле, а также вопросы его оптимизации для последующихтехнологических применений изучены далеко не полно.