Автореферат (1102519), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Последнеедостигается при условии близости рабочей частоты и частоты столкновенийэлектронов с атомами.Расчеты показали, что концентрация электронов в неоне ниже, чем в другихинертных газах. При этом активное сопротивление плазмы, роль емкостного канала изначения приэлектродного скачка потенциала выше. Это приводит к существенномупонижению концентрации электронов в гибридном разряде по сравнению синдуктивным. Для криптона ситуация обратная, поэтому значения ne для гибридногоразряда достаточно велики.
Однако в области давлений выше 100 мТор, где падаетэквивалентное сопротивление плазмы, начинается быстрый рост U, падениеконцентрации электронов, рост активного сопротивления плазмы и доли мощности,поступающей в разряд через емкостной канал. Это объясняет быстрый спадконцентрации электронов в гибридном разряде в криптоне в указанном диапазонедавлений.В случае более высокой частоты импеданс антенны возрастает, а импеданспаразитной емкости между антенной и плазмой падает по сравнению с частотой2МГц. Это приводит к повышению вклада емкостного канала при увеличении частотыВЧ генератора. Расчеты показывают, что при низких давлениях приэлектродноепадение потенциала в разряде, организованном на частоте 2 МГц, существеннониже, чем на частоте 13.56 МГц. Соответственно, концентрация электронов вразряде на более низкой частоте выше. При давлении 100 мТор значения U длячастоты 13.56 МГц становятся ниже, чем в случае частоты 2 МГц, вследствиесмещения положения максимума эквивалентного сопротивления плазмы в областьболее высоких давлений.
Это объясняет смещение максимума плотности плазмы начастоте 13.56 МГц в область больших давлений по сравнению с частотой 2 МГц.Напомним, что смещение положения максимума концентрации электронов в областьбольших давлений при увеличении рабочей частоты было зафиксированоэкспериментально.Результаты исследований, представленные в главе, проявили существеннуюзависимость концентрации и эффективной температуры электронов от внешнихпараметров разряда: рода и давления инертного газа, мощности ВЧ генератора,рабочей частоты, наличия емкостной составляющей разряда.
В зависимости оттребований технологической задачи возможна оптимизация параметров плазмыпутем изменения внешних параметров разряда. Так, использование рабочей частоты142 МГц, аргона или криптона в качестве рабочего газа позволяет получатьмаксимальную плотность плазмы при давлениях менее 30мТор. При более высокихдавлениях: 30 – 300 мТор целесообразно использование неона и рабочей частоты13.56 МГц, позволяющих получить плазму с существенно более высокой плотностью,чем при других внешних параметрах.Четвертая глава диссертации посвящена изучению влияния внешнихпараметров разряда на пространственное распределение концентрации иэффективной температуры электронов. Для этого в широком диапазоне условийсуществования индуктивного ВЧ разряда были выполнены систематическиеисследования пространственного распределения ФРЭЭ, эффективной температурыи концентрации электронов. Экспериментальные данные сопоставлены срезультатами моделирования индуктивного ВЧ разряда PIC методом.Для анализа полученных экспериментальных результатов были произведеныоценки длин свободного пробега λ и релаксации энергии λ электронов, толщиныεскин-слоя δ, т.е.
величин, оказывающих существенное влияние на пространственноераспределение параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда.Зондовые измерения энергетических распределений электронов, проведенныев центре и на периферии источника плазмы, показали, что при давлениях, непревышающих 10 мТор, в центральных частях источника плазмы наблюдаетсяизбыток медленных электронов, запертых стационарными электрическими полями.Энергетические распределения быстрых электронов (в области энергий, доступныхдля зондовых измерений) близки друг к другу во всем объеме источника плазмы.
Вобласти давлений более 10 мТор ФРЭЭ, измеренные в центре и периферийныхчастях разряда, становятся близки друг к другу. При давлении 0.2 Тор, когда длинарелаксации энергии электронов становится сравнимой с толщиной скин-слоя, вцентральной части разряда эффективная температура электронов становится ниже,чем на периферии. Наиболее однородное радиальное распределение имаксимальные величины ионного тока насыщения, имеющего ключевое значениедля ряда технологий, удается получить при давлении аргона порядка 0.1 Тор. Придавлении 0.1 мТор также можно получить достаточно однородное радиальноераспределение ионного тока насыщения, однако абсолютные величины ионного токаменьше. Максимальная область однородности плазмы, полученная в настоящихэкспериментах, составляет величину порядка 20 см.Параллельно с зондовыми измерениями было выполнено исследованиепространственного распределения интенсивности спектральных линий инертныхгазов.
Наиболее интересный результат был получен в экспериментах с плазмойгелия. Измерения показали, что отношение интенсивности двух спектральных линийНеI 5016 Å и 4713 Å зависит от радиуса, а именно, увеличивается при приближении кстенкам источника плазмы. Эффект наблюдается при условии, что частотастолкновений электронов меньше рабочей частоты источника. Спектральные линииНеI 5016 Å и 4713 Å обладают сильно различающимся ходом оптических функцийвозбуждения, и их отношение чувствительно к изменению энергетическогораспределения электронов в области больших энергий. Оценки показывают, чтообъяснить полученный результат можно существованием в области скин-слояэлектронов, энергия которых превышает величины, «доступные» для зондового15метода.
Энергия быстрых электронов увеличивается при приближении к стенкамисточника плазмы. Причина обеднения центральных частей разряда быстрымиэлектронами в индуктивном ВЧ разряде состоит в том, что на быстрые электроны,которые ускоряются азимутальным полем в пределах скин-слоя, действуетцентробежная сила, препятствующая их перемещению к центральным областямразряда.Параллельно с экспериментальными исследованиями было выполненоматематическое моделирование физических процессов в индуктивном ВЧ разряде вдиапазоне давлений 0.003 – 1 Тор. Как и следовало ожидать, расчеты показали, чтов случае возбуждения индуктивного ВЧ разряда азимутальным током основнойкомпонентой ВЧ магнитного поля является Bz.
Магнитное поле Bz достигаетмаксимальных значений вблизи витков тока и убывает по мере удаления отиндуктора. На рис. 7 показаны временные зависимости компонент ВЧ электрическогополя вблизи стенок источника плазмы. Как видно, в пределах скин-слоя основнымикомпонентами ВЧ электрического поля являются азимутальное Eφ и радиальное Erполя.
Амплитуда продольного электрического ВЧ поля Ez пренебрежимо мала.Обращает на себя внимание тот факт, что азимутальное поле Eφ осциллирует наосновной частоте со средним значением равным нулю, в то время как радиальноеполе Er имеет отличную от нуля постоянную составляющую, а частота осцилляцийпеременной составляющей поля близка к удвоенной рабочей частоте.
По мереудаления от стенок источника плазмы постоянная составляющая Er исчезает. Вработе показано, что причиной возникновенияпостоянной составляющей Erявляется сильная неоднородность ВЧ полей, которая, в свою очередь, приводит кпоявлению силы Миллера FMFM = −e2∇Eϕ22m(ω 2 + ν 2 ),(1)выталкивающей электроны из области сильного поля. Переменная составляющая ВЧполя, осциллирующая на удвоенной частоте, является результатом воздействиясилы Лоренца на электроны, дрейфующие в скин-слое под действием ВЧэлектрического поля при наличии продольного ВЧ магнитного поля Вz.Рис.7.Временныезависимостикомпонент ВЧ электрического поля вобласти скин-слоя. Рабочая частота2 МГц.16Необходимо отметить, что в области скин-слоя величины радиального ВЧ полясущественно превышают значения азимутального поля.
По мере роста давленияпостоянная составляющая радиального поля падает, и при давлении 1 Торрадиальное и азимутальное поля сравниваются по величине. В литературеотмечается, что радиальное ВЧ поле, реализующееся в области низких давлений,может быть ниже, чем предсказанное формулой (1).
Действительно, в случае, когдаскорость дрейфа частиц не определяется локальными электрическими полями,тепловое движение может привести к их уходу в область более низких значенийполя. Рост рабочей частоты, так же как и рост давления, приводит к понижениюрадиальной составляющей ВЧ поля, так что при давлении 1мТор и частоте 12.5 МГцазимутальное поле в скин-слое существенно превышает радиальное.Рассмотрены изменения во времени функций распределения электронов покомпонентам скорости.
Прежде всего, остановимся на функции распределенияэлектронов по азимутальной скорости f(uϕ). Рассчитанные f(uϕ) в различные фазытока антенны показаны на рис.8. Можно видеть, что в области скин-слоя (r = 3.3 см)азимутальный ток дважды за период изменяет направление своего движения.Заметные изменения азимутальной компоненты скорости электронов указывают нато, что при низких давлениях в области скин-слоя скорость направленного движенияэлектронов превышает или сравнима с тепловой.(а)(б)Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
