Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления (1097821), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Таким образом, экспериментально было зафиксировано влияниедополнительного канала ввода мощности на мощность, поступающую в плазму черезиндуктивный канал.Рис.9. Зависимость доли мощности,поступающей в разряд от ВЧгенератора, к которому подключенаторцеваяспиральнаяантенна.Мощность «емкостного» генератора1 – 3Вт, 2 – 20Вт, 3 – 50Вт.
Диаметристочника плазмы 30см, длина 20см,давление аргона 20мТор.indPpl (Вт)10010ArPcap= 3WPcap=20WPcap=50W120406080100120140160180200220Pind (Вт)Рассмотрим теперь влияние емкостной составляющей на параметры разряда в модес высокой интенсивностью свечения. Измерения показали, что интенсивность свеченияплазмы в этой моде разряда слабо зависит от наличия емкостной компоненты разряда иликанала постоянного тока при вводе мощности через дополнительный канал. Аналогичныйрезультат был получен и с гибридным разрядом.Наблюдения за поведением гибридного разряда при увеличении мощностигенератора в случае, когда разряд возбуждался боковой спиральной антенной, а обкладкиконденсатора располагались на торцах источника плазма без контакта с плазмой, показали(см. рис.10), что при малых мощностях генератора наблюдается типичная для емкостногоразряда картина горения разряда.
Свечение плазмы концентрируется вблизи обкладокконденсатора в области слоев пространственного заряда. В центральной областиразрядного промежутка свечение слабое. По мере роста мощности ВЧ генератора растетинтенсивность свечения плазмы в области локализации боковой спиральной антенны.Свечение в области локализации слоев пространственного заряда сначала сохраняется, азатем разряд скачкообразно переходит в шарообразную форму, характерную для чистоиндуктивного ВЧ разряда. Отметим, что в случае расположения обкладок конденсаторавнутри разряда переход разряда в шарообразную форму при рассмотренных условиях ненаблюдался. Измерение доли мощности Pc, поступающей через емкостной канал в плазмугибридного разряда при внешнем расположении электродов, показало, что величина Pcсначала растет, а затем при переходе разряда в «высокую» моду убывает с увеличениеммощности ВЧ генератора.Рис.10.
Динамика свечениягибридного ВЧ разряда приувеличении мощности ВЧгенератора.Оценки показали, что емкость естественных разделительных конденсаторов Сф,связанных с наличием диэлектрических фланцев при внешнем расположении электродов,составляла величину порядка 15пф, а их сопротивление на частоте 13.56 МГц – 1кОм. Пригорении индуктивного ВЧ разряда в моде с высокой концентрацией электроновсопротивление плазмы, определяющее омический нагрев плазмы током, текущим череземкостной канал, существенно падает.
Вместе с тем ток, текущий в емкостной цепи,ограничен емкостным сопротивлением конденсаторов Сф. В этом случае с ростоммощности индуктивного ВЧ генератора (плотности плазмы) вклад ВЧ мощности череземкостной канал понижается.Дополнительные эксперименты показали, что в случае внутреннего расположенияэлектродов в контакте с плазмой Pc увеличивается с ростом Pgen во всем рассмотренномдиапазоне Pgen , однако интенсивность свечения плазмы в«высокой» моде близка кинтенсивности свечения в чисто индуктивном разряде.Для объяснения наблюдавшихся эффектов было выполнено математическоемоделирование поведения индуктивного ВЧ разряда с независимым емкостным каналомвводамощности.Предполагалась,чтовсямощность«емкостного»генераторапоглощается плазмой. Расчеты показали, что при наличии емкостного канала разрядможет существовать в модах со значительно различающейся концентрацией плазмы.
Вслучае моды с высокой концентрацией подавляющая часть мощности ВЧ генератора,питающего индуктивный канал, вкладывается в плазму. В моде с низкой концентрациейэлектронов практически вся мощность индуктивного генератора идет на нагрев антенны, аплотность плазмы определяется ВЧ мощностью, которая вкладывается в плазму череземкостной канал. В экспериментах «выбор» моды горения разряда, по-видимому,осуществляется с помощью системы согласования, т.к. активная и реактивнаясоставляющие импеданса плазмы, существующего в «высокой» и «низкой» модах,существенно различаются.
Сказанное подтверждают результаты работы М.Тернера и др.,где экспериментально показана возможность изменения моды горения разряда приизменении параметров системы согласования.Расчеты показали (см. рис.11), что мощность, вкладываемая через индуктивныйканал, зависит от величины мощности, вкладываемой через емкостной канал. Приindнебольших значениях PGenмощность, вкладываемая через индуктивный канал P ind , растетcapс ростом PGen, затем приближается к значениям, имеющим место при отсутствииемкостной составляющей, и, наконец, становится меньше, чем в чисто емкостном разряде.indтем сильнее, чем вышеУменьшение мощности Pind в области высоких значений PGenPвеличина ВЧ мощности, вкладываемой через емкостной канал.2500Рис.11.Зависимостьполнойвложенной в плазму мощности отмощности«индуктивного»ВЧгенератора в чисто индуктивномразряде (кривая 1) и в разряде снезависимой емкостной компонентой(кривая 2).
Pcap =500Вт. Кривая 3 –доля мощности, поступающей в разрядчерез индуктивный канал.ВЧ мощность (Вт)20002315001000150000500100015002000PGen (Вт)ind25003000Проанализируем качественно взаимное влияние двух каналов ввода ВЧ мощности.indСначала рассмотрим случай малых PGenи низких концентраций плазмы. Как известно, вшироком диапазоне условий емкостная фаза разряда может существовать при меньшихмощностях ВЧ генератора, чем индуктивная, при этом в разряде устанавливаетсянекоторая концентрация электронов ne*.
Напомним, что антенна подключена к«индуктивному» генератору, очевидно, что с появлением плазмы во внешней цепи«индуктивного» генератора появляется эквивалентное сопротивление, величина которогоопределяется ne*, т.е. фактически ВЧ мощностью, вкладываемой через емкостной канал. Вслучае, когда концентрация электронов, определяемая емкостным каналом большеконцентрации электронов neind, которая существовала бы в источнике плазмы приотсутствии емкостного канала, вклад ВЧ мощности в плазму через индуктивный каналвозрастает по сравнению со случаем, когда емкостной канал отсутствует.
Это и показалиэксперименты и полученные численные решения. Отметим, что рост эквивалентногоindсопротивления в области малых PGenс очевидностью приводит к понижению пороговоймощности, при которой переходит переход из «низкой» моды разряда в «высокую» иисчезновению гистерезиса.Теперь рассмотрим область высоких концентраций плазмы. Дополнительный вводмощности через емкостной канал приводит к росту плотности плазмы, однако, в областивысоких концентраций электронов эквивалентное сопротивление плазмы проходит черезмаксимум и начинает убывать. Физически это связано с ухудшением проникновения ВЧмощности в плазму с ростом ее концентрации. Уменьшение величины ВЧ мощности,поступающей в плазму через индуктивный канал, естественно приводит к уменьшениюполной мощности, вкладываемой в плазму.
При этом с ростом мощности ВЧ генератора,питающего емкостной канал, величина полной мощности приближается к величинемощности, вкладываемый через индуктивный канал в чисто индуктивном разряде.Неудивительно, что параметры плазмы, экспериментально наблюдавшиеся в «высокой»моде чисто индуктивного разряда и разряда с емкостной компонентой, были близки друг кдругу.В шестой главес помощью математического моделирования рассмотренывозможности оптимизации индуктивных источников плазмы. Прежде всего, исходя изрезультатов,представленнымивпредшествующихглавах,проанализированывозможности оптимизации ввода ВЧ мощности в плазму. Очевидно, что для обеспеченияэффективных, воспроизводимых режимов работы источников плазмы необходимо, чтобыPGen ≈ Ppl >> Pant ,что эквивалентно требованию:(7)Rpl >> Rant .Наиболеепростым(8)решениемпроблемыявляетсяуменьшениеэффективногосопротивления антенны.
Однако существенное уменьшение Rant не всегда возможно. Какправило, эффективное сопротивление внешней цепи Rant, измеренное в различныхпостановках эксперимента, изменяется в пределах 0.2 – 3Ом, причем низкие значения Rantхарактерны для экспериментов со стеклянными газоразрядными трубками без близкорасположенных металлических элементов установок.Рассмотрим теперь абсолютные значения эквивалентного сопротивления плазмы.Начнем с разряда без магнитного поля. Расчеты показали, что абсолютные значенияэквивалентного сопротивления тем больше, чем больше радиус источника, однако, дажемаксимальное значение эквивалентного сопротивления плазмы источника радиусом 50смнемногим превосходит 1Ом. Это означает, что в плазму низкого давления источниковрадиуса 2.5см при сопротивлении внешней цепи 1Ом можно вложить максимум 30%мощности, отдаваемой ВЧ генератором во внешнюю цепь, при этом 70% мощностипойдут на нагрев антенны, элементов системы согласования и т.д.
Увеличение радиусаисточника позволяет получить более благоприятный результат, однако и здесь добитьсявложения хотя бы 80% мощности ВЧ генератора в плазму практически невозможно.Повысить эквивалентное сопротивлениеплазмы, как показали расчеты, удается приувеличении давления газа и при подборе оптимальной частоты. При необходимостиразработки устройств, работающих при плотностях плазмы 1010 ≤ ne ≤ 1011см–3 наилучшийввод ВЧ мощности в плазму можно обеспечить, работая на частотах 6 – 13МГц. Принеобходимости получения более высоких концентраций плазмы 1011 ≤ ne ≤ 1012 см–3 иne >1012 см–3 , характерных для плазменных реакторов, применяемых для травленияполупроводников, целесообразно повысить частоту до 27МГц и 41МГц соответственно.Вразряденизкогодавлениясвнешниммагнитнымполемвеличиныэквивалентного сопротивления плазмы существенно выше, чем значения, полученные безмагнитного поля.
Также как в случае ВЧ индуктивных источников плазмы без магнитногополя значения эквивалентного сопротивления возрастают с ростом радиуса источникаплазмы и при R≥10cм обеспечивают практически полное поглощение ВЧ мощности,отдаваемой генератором во внешнюю цепь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
