Автореферат (1102519), страница 5
Текст из файла (страница 5)
8. Функция распределения электронов по азимутальной скорости вразличные фазы тока антенны: а - φ =0, б - φ =3π/2. r – расстояние от центраисточника плазмы.Анализ поведения функции распределения электронов по радиальнойкомпоненте скорости f(ur) при изменении фазы тока антенны показывает, что вотличие от азимутальной компоненты f(ur) слабо зависит от времени.
Обращает насебя внимание, что функция f(ur) ассиметрична относительно 0, а именно, в скинслое отсутствуют быстрые частицы, движущиеся по направлению к границе скинслоя. Наиболее вероятно это связано с действием силы Миллера, выталкивающейчастицы из области скин-слоя в центральные области разряда. Рост рабочейчастоты, сопровождающийся снижением постоянной составляющей радиальногополя, приводит к уменьшению ассиметрии функции распределения электронов порадиальной компоненте скорости.17Расчеты показали, что функция распределения электронов по продольнойкомпоненте скорости f(uz) симметрична и не зависит от времени.Приведенные выше результаты соответствовали давлению 10 мТор. Расчетыпозволили проанализировать влияние давления на характер изменения функциираспределения электронов по скоростям.
Расчеты показали, что наибольшеесмещение f(uϕ) наблюдается при наименьшем из рассмотренных давлениях – 1мТор.Вероятность столкновений здесь низка, и электроны ускоряются азимутальнымполем, каждый полупериод изменяя направление движения. В центральной частиразряда функция f(uϕ) симметрична, она представляет собой распределениеэлектронов по тепловой скорости. Расчеты показывают, что скорость направленногодвижения при давлении 1 мТор существенно превосходит тепловую.Рост давления и, соответственно, частоты столкновений приводит кпонижению скорости направленного движения по сравнению с тепловым. Такимобразом, при давлении 100 мТор разница между функциями f(uϕ), рассчитаннымидля центральных и периферийных областей разряда, исчезает.
При давлении 1Тор,когда не только длина свободного пробега электронов, но и длина релаксацииэнергии электронов становится меньше толщины скин-слоя, функция распределенияf(uϕ) в центральной части разряда обедняется быстрыми электронами, т.к. вложениеВЧ мощности происходит локально в пределах скин-слоя. Аналогичные изменения сувеличением давления претерпевают функции распределения по радиальной ипродольной составляющим скорости электронов.Полученные значения функции распределения электронов по скоростям былииспользованы для расчета средней энергии электронов εi с учетом толькоизотропной части функции распределения и кинетической энергии wa с учетом какнаправленной, так и изотропной части распределения.
Расчеты показали, что принаименьшем из рассмотренных давлений p = 1 мТор кинетическая энергияэлектронов в области скин-слоя существенно превышает кинетическую энергиюэлектронов в центральных областях разряда, где величины wa близки к энергииэлектронов εi, рассчитанной по изотропной части функции распределения. Ростдавления приводит к выравниванию wa по объему источника плазмы и сближениювеличин wa и εi. Однако при давлении 1 Тор как значения wa, так и εi существеннопонижаются в центральных частях разряда по сравнению с периферией.
Этоявляется следствием локального характера ввода ВЧ мощности в индуктивный ВЧразряд.Изменение характера поглощения ВЧ мощности проявляется и в поведениипространственного распределения электронной плотности. При давлениях менее0.1Тор максимум электронной плотности достигается в центральных частях разряда.При более высоких давлениях максимум электронной плотности смещается кстенкам источника плазмы. Это связано с тем, что при давлениях, превышающих0.1Тор, ввод ВЧ мощности в плазму становится локальным.Результаты исследований, представленных в главе, показали, что ключевымфактором, влияющим на пространственное распределение параметров плазмы,является давление.
Наиболее однородное радиальное распределение имаксимальную величину ионного тока насыщения, имеющего ключевое значение для18ряда технологий, удается получить при давлении аргона порядка 0.1 Тор.Максимальная протяженность области однородности плазмы, полученная внастоящих экспериментах, достигает 20 см.Пятая глава диссертации посвящена изучению влияния внешнего магнитного поляна параметры плазмы индуктивного ВЧ разряда.Результаты измерения эквивалентного сопротивления показали, чтоналожение внешнего магнитного поля с индукцией в диапазоне 0 – 50 Гс приводит кпоявлению областей резонансного поглощения ВЧ мощности.
Сопоставлениерезультатов экспериментов с расчетами показали, что область резонансногопоглощения ВЧ мощности соответствует области резонансного возбуждениясвязанных между собой геликонов и косых ленгмюровских волн. Увеличение рабочейчастоты приводит к смещению области резонансного поглощения ВЧ мощности вобласть больших магнитных полей. Таким образом, работая при магнитных полях,соответствующих областям резонансного поглощения ВЧ мощности, и рабочихчастотах 2 МГц и выше, удается оптимизировать вложение ВЧ мощности в плазму.Эффект увеличивается с ростом рабочей частоты.В главе 4 было показано, что существенное влияние на пространственноераспределение параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда оказываютсоотношения между характерным геометрическим размером источника плазмы,толщиной скин-слоя, длиной свободного пробега электронов и длиной релаксацииэнергии электронов. Последние две величины определяются частотамистолкновений электронов, которые, в свою очередь, зависят от давления газа иэнергетического распределения электронов.
При наложении на разряд внешнегомагнитного поля появляется еще один фактор, оказывающий существенное влияниена пространственное распределение параметров плазмы, а именно ларморовскийрадиус электронов. Оценки показывают, что уже при магнитном поле 5 Гсларморовский радиус электронов оказывается существенно меньше радиусаисточника плазмы. Более того, ларморовский радиус оказывается сравнимым схарактерным размером области локализации ВЧ полей. Это открывает широкиевозможности управления пространственным распределением параметров плазмы,т.к.
наложение внешнего магнитного поля приводит к существенным изменениямобласти локализации ВЧ полей в плазме.Одним из наиболее значимых для технологических применений параметровявляется пространственное распределение ионного тока насыщения i+.Эксперименты, выполненные в случае с аргоном, показали, что при отсутствиимагнитного поля В значения ионного тока максимальны на оси источника плазмы.Рост В сначала приводит к выравниванию величин i+ по радиусу источника, а затем кпоявлению провала в центральных областях разряда.
При одних и тех же значенияхВ провал тем сильнее, чем выше рабочая частота разряда. Характер изменениязависимости i+(r) сохраняется и при увеличении давления аргона, однако областьоднородности плазмы сужается. Особенно заметно это проявляется в сечении унижнего фланца источника. Наилучшее по однородности распределение удаетсяполучить при давлениях 0.1 – 4 мТор и индукции магнитного поля В = 10 – 15 Гс длярабочих частот f = 2 и 4 МГц (см. рис.
9). Здесь удается получить областьоднородной плазмы диаметром не менее 30см.192,01,00,52464 МГц0 Гс10 Гс15 Гс30 Гс1,00,5Ar0,0-2 0p = 4 мТор1,5i+, мА1,5i+, мА2,00 Гс5 Гс15 Гс30 Гс2 МГцp = 4 мТорAr0,0-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24r, см8 10 12 14 16 18 20r, см(а)(б)Рис. 9. Радиальные распределения ионного тока в центральном сечении,измеренные при давлении 4 мТор и рабочих частотах 2 (а), 4 (б) МГЦ, при наложениивнешнего магнитного поля.Измерения показали, что при магнитных полях менее 15 Гс и всехрассмотренных рабочих частотах форма энергетического распределения электроновслабо отличается от наблюдаемого без магнитного поля. Наклон кривыхзависимости второй производной зондового тока от потенциала зонда у стенокисточника плазмы несколько превышает наклон в центральных частях разряда.Однако при рабочей частоте 4 МГц и магнитном поле 15 Гс наблюдаетсязначительное изменение формы и средней энергии электронов в центре источникаплазмы по сравнению с периферией.
Это также видно из рис. 10, где представленызависимости средней энергии электронов от индукции внешнего магнитного поля.7Рис.10.Зависимостьэффективнойтемпературы электронов от величинымагнитногополя.Давлениеаргона0.14 мТор.Рабочаячастота4 МГц.Мощность ВЧ генератора 500 Вт. r –расстояние от центра источника плазмы.Te, эВ654p = 0.14 мТорr = 0 смr = 18 см32051015202530B, ГсЭффективная температура электронов у стенок источника плазмы слабоубывает с увеличением B. Одновременно эффективная Те в центре источникаплазмы возрастает. При значениях В ≤ В* = 12 Гс значения эффективной Те у стенокисточника плазмы выше, чем в центре, затем соотношение между значениямиэффективной температуры в различных областях источника плазмы меняется напротивоположное.
Увеличение давления приводит к смещению В*, т.е. магнитногополя, при котором эффективные температура электронов в центре и на перифериисравниваются, в область больших магнитных полей. При давлении 32 мТор врассмотренном диапазоне величин магнитного поля достичь В* не удалось.Результаты расчетов радиального распределения ВЧ полей в плазмепоказали, что в области резонансного поглощения ВЧ мощности происходит20проникновение ВЧ полей в центральные части разряда. Это дает основание считать,что одной из основных причин повышения эффективной температуры электронов вцентральных областях плазмы является локальный нагрев электронов.Рассматривая результаты, полученные в настоящем разделе, можно сделатьвывод, что изменение величины внешнего магнитного поля позволяет управлятьпространственным распределением и величинами эффективной температуры иконцентрации электронов.
В области резонансного поглощения ВЧ мощностиэффективная температура электронов в центре источника плазмы возрастает посравнению с периферией, вне области резонанса нагрев электронов идет главнымобразом вблизи стенок. Варьируя величину магнитного поля, можно получитьпротяженную область с однородной концентрацией и температурой электронов.Наилучший результат можно получить, используя рабочую частоту 4 МГц.Основные результаты и выводы1. На основании систематического экспериментального исследования ичисленного моделирования физических процессов в технологическом ВЧиндуктивном источнике плазмы показано, что вложение ВЧ мощности в плазмуразряда осуществляется по двум каналам: основному — индуктивному,формируемому текущим по индуктору током, приводящим к возбуждениювихревых ВЧ полей, и сопутствующему — емкостному каналу, возникающему врезультате существования паразитной емкости между витками индуктора иплазмой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
