Автореферат (1102519), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Третья,четвертая и пятая главы являются оригинальными. Диссертация содержит 172 страницы,включая 127 рисунков и библиографию из 152 наименований.Содержание работыДиссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.Во введении сформулированы основные цели и задачи диссертации,представлены актуальность данных исследований, научная новизна и практическаяценность, перечислены защищаемые положения и кратко изложено содержание всехглав диссертации.В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.В начале главы представлены различные классы устройств, работающие наоснове индуктивного ВЧ разряда, их рабочие характеристики и области применения.Далее обзор посвящен рассмотрению основных физических особенностейиндуктивного ВЧ разряда при условиях типичных для современных технологическихисточников плазмы при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля.Рассмотрены закономерности скинирования, основные механизмы поглощения ВЧмощности.
Затронут вопрос о роли емкостной составляющей в поддержанииразряда.Результаты исследований, представленных в обзоре литературы, показали,что изменение давления, величины внешнего магнитного поля, одновременноеиспользование индуктивной и емкостной составляющих для поддержания разрядаоткрывают широкие перспективы для гибкого управления параметрами разряда,необходимого для технологических приложений. Вместе с тем из обзора литературывидно, что, несмотря на огромное количество работ, посвященных ВЧ разряду,вопрос о возможностях управления параметрами плазмы изучен далеко не полно.Исходя из всего вышесказанного, были сформулированы задачи диссертационнойработы.6Вторая глава содержит описание экспериментальной установки, методики измеренийи условий экспериментов, методик численного моделирования.Индуктивный ВЧ разряд поджигался в цилиндрических источниках плазмы,диаметры которых 46см и 15 см и высоты – 30см и 15 см, соответственно.
Первыйузел ввода ВЧ мощности был выполнен в виде спиральной антенны, расположеннойна боковой поверхности источника плазмы. Второй, с помощью которого былорганизован гибридный ВЧ разряд для исследования влияния емкостнойсоставляющей разряда, состоял из трехвитковой спиральной медной антенны,расположенной на внешней стороне источника плазмы диаметром 15 см и обкладокконденсатора, расположенных на внутренней стороне фланцев.
С помощью ВЧгенератора на концах антенны создавалось ВЧ напряжение амплитуды V .Измерения текущего по антенне тока I i проводились с помощью пояса Роговского.При условии согласования нагрузки с генератором часть ВЧ мощности PGen ,поступающей от генератора во внешнюю цепь индуктивного ВЧ разряда, расходуетсяна нагрев индуктора, а часть — поглощается плазмой.
Мощность Ppl , вложенная вплазму, находилась путем измерения величин мощности ВЧ генератора инапряжения на выходе из системы согласования при наличии разряда и без него.Эквивалентное сопротивление плазмы R pl индуктивного и гибридного ВЧ разрядоврассчитывалось на основе измеренных величин мощности, поглощенной плазмой,ВЧ напряжения на концах антенны и амплитуды тока, текущего через нее.Концентрация и энергетическое распределение электронов определялосьзондовым методом. Для этого в центральном сечении источника располагалсяподвижный цилиндрический зонд длиной 7 мм и диаметром 0.3 мм, позволяющийпроводить измерения параметров плазмы по радиусу.
Энергетическоераспределение электронов определялось по зависимости электронного тока на зондот потенциала зонда с помощью методов численного дифференцирования, а такжеметода регуляризации А.Н. Тихонова.Параллельно с зондовыми измерениями были выполнены пространственныеизмерения интенсивности свечения плазмы. Измеренные значения отношенияинтенсивности спектральных линий с различной зависимостью сечений возбужденияот энергий электронов были использованы для оценки эффективной температурыбыстрых электронов.Эксперименты проводились в разряде в гелии, неоне, аргоне, криптоне вдиапазоне давлений 1·10-3 – 1 Тор при мощностях ВЧ генераторов 50 – 500 Вт,работающих на частотах 2, 4, 13.56 МГц.Численное моделирование физических процессов индуктивного разрядаосуществлялось на основании уравнений баланса, записанных для усредненных пообъему источника плазмы концентраций максвелловских электронов и ионов,уравнения квазинейтральности и уравнения баланса энергии в разряде.
ВложениеВЧ мощности в плазму индуктивного разряда осуществляется по двум каналам:основному — индуктивному, формируемому текущим по индуктору током,приводящим к возбуждению вихревых ВЧ полей, и сопутствующему — емкостномуканалу, возникающему в результате существования паразитной емкости между7витками индуктора и плазмой. Моделирование влияния емкостной составляющей напараметры индуктивного ВЧ разряда осуществлялось с помощью математическоймодели гибридного ВЧ разряда. Модель предполагает, что узел ввода ВЧ мощностивыполнен в виде параллельно соединенных индуктора (антенны) и обкладокконденсатора, расположенных вне источника плазмы. Между антенной и обкладкамиконденсатора включена разделительная емкость С, моделирующая емкость междуобкладками конденсатора и плазмой.
Предполагалось, что рядом с электродами,формирующими емкостную ветвь разряда, возникает приэлектродное падениепотенциала U, величина которого определяется напряжением, создаваемым наконцах антенны ВЧ генератором за вычетом падения напряжения на разделительнойемкости С. Электроны, рождаемые на поверхности электродов благодаря процессамионно-электронной эмиссии, ускоряются приэлектродным падением потенциала. Этоприводит к появлению в разряде группы быстрых электронов с энергией eUдополнительно к группе медленных максвелловских электронов. Так же как и модельиндуктивного ВЧ разряда, модель гибридного ВЧ разряда основана на уравненияхбаланса, записанных для усредненных по объему источника плазмы концентрацийосновных компонент разряда, уравнении квазинейтральности и уравнении балансаэнергии в разряде.
Дополнительно используется система уравнений, описывающаяпроцессы во внешней цепи гибридного ВЧ разряда и позволяющая рассчитатьзначения U.Для анализа закономерностей изменения пространственного распределенияпараметров плазмы в работе использовалась программа KARAT, позволяющаямоделировать индуктивный ВЧ разряд PIC методом. Код KARAT позволяет решатьнестационарные электродинамические задачи со сложной геометрией, учитывающиединамику электронов, ионов. Математической моделью, лежащей в основе кода,являются уравнения Максвелла с граничными условиями и уравнения движениязаряженных частиц, для решения которых используется метод крупных частиц (PICметод). В данной работе использовалась осесимметричная версия задачи, в которойзаданы 2 координаты (r, z) и учитываются 3 компоненты скорости частиц (ur, uϕ, uz).Счетная область – цилиндр длиною 10 см и радиусом 5 см. Область, занятаяплазмой, имеет длину 6см и радиус 3.5 см.
Плазма ограничена диэлектрическимистенками, толщиной 0.5 см. На внешней боковой поверхности цилиндрарасположены три витка с током, осциллирующим с частотой 2, 4 или 12.5 МГц. Вмодели учитываются упругие и неупругие столкновения электронов с атомамиаргона. Для уменьшения времени счета масса ионов M взята равной 2000 массамэлектронов mе. Расчеты выполнялись при концентрациях аргона 1014 см-3, 3·1014 см-3,1015 см-3, 3·1016 см-3.В процессе счета регистрируются компоненты электромагнитного поля вобъеме,пространственныераспределенияамбиполярногопотенциала,концентрации электронов и ионов, кинетической энергии электронов и эффективнойтемпературы электронов, рассчитываемой только по изотропной частиэнергетического распределения электронов.В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментальногоисследования и численного моделирования влияния внешних условий разряда(давления и рода газа, мощности и частоты ВЧ генератора) на концентрацию иэффективную температуру электронов в области скин-слоя, где происходит8преимущественное поглощение ВЧ мощности, а также на эквивалентноесопротивление разряда, являющееся мерой способности плазмы поглощать ВЧмощность.Зондовые измерения, выполненные при частоте 2 МГц, показали, что висследованных диапазонах давления аргона 0.8 – 100 мТор и мощностях ВЧгенератора 100 – 500 Вт ФРЭЭ является неравновесной.
На кривой зависимостивторой производной электронного тока от потенциала зонда, представленной вполулогарифмическом масштабе, можно выделить три части, соответствующиемедленным, средним и быстрым электронам. Для большинства измеренных ФРЭЭхарактерен слабо выраженный избыток медленных и дефицит быстрых электронов.С ростом давления и мощности ВЧ генератора пороговое значение энергии, прикотором начинается обеднение функции распределения быстрыми электронами,смещается в область более низких энергий. При давлении 0.8 мТор и давлениях,превышающих 100 мТор, вид ФРЭЭ изменяется. Обзор литературы показывает, чтонаблюдавшаяся форма ФРЭЭ характерна для разряда с наличием емкостнойсоставляющей.На рис. 1 показано поведение концентрации ne ( p ) (а) и эффективнойтемпературы Te ( p ) (б) электронов, рассчитанной по измеренным ФРЭЭ, в областискин-слоя при изменении давления инертных газов для фиксированной мощности ВЧгенератора 500 Вт.-3ne, см113x102x10111x1011p*Te, эВPgen= 500 Вт2 МГцHeNeArKr2 МГцPgen= 500 Вт10HeNeArKrp*86420-31010-2-1101000p, Тор(а)-310-210p, Тор10-1010(б)Рис.
1. Зависимости концентрации ne (а) и эффективной температуры Te (б)электронов от давления p , измеренные на расстоянии r = 19 см от центра источникаплазмы для гелия, неона, аргона, криптона при рабочей частоте 2 МГц и мощностиВЧ генератора Pgen = 500 Вт.Как видно, наибольшая концентрация электронов достигается в криптоне,наименьшая – в гелии. Обращает на себя внимание тот факт, что существуют двеобласти давления, характеризующиеся различным поведением плотностиэлектронов с изменением давления. В первой области давлений концентрацияэлектронов увеличивается с ростом давления при всех рассмотренных мощностяхВЧ генератора, во второй – падает. Величина давления р*, при которомвозрастающий характер изменения концентрации электронов сменяется убыванием,9зависит от рода газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
