Диссертация (1102520), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Вычисление координат xi и скоростей vi всех частиц в результатеинтегрирования уравнений движения;3. учет потерь и эмиссии частиц на границах;4. учет столкновений по методу Монте-Карло. В результате столкновениячастица меняет величину и направление скорости;5. расчет плотностей заряда ρj,и токов jj,во всех узлах сетки;6. расчет полей Ej, Bj.2.3.3.2. Исходная расчетная модельРасчетная область (см. рис.2.17) представляет собой цилиндр длиною 10см ирадиусом 5см.
Граница счетной области представляет собой идеальный проводник.Область, занятая плазмой, имеет длину 6см и радиус 3.5см. Плазма ограниченадиэлектрическими стенками, толщиной 0.5см. На внешней боковой поверхности цилиндрарасположены три витка с током, осциллирующим с заданной высокой частотой.
В работебыли рассмотрены частоты 1, 2 и 12.5МГц.Плазма состоит из атомов, ионов и электронов, возникающих в результате актовионизации атомов электронами и ионно-электронной эмиссии на диэлектрическихстенках, ограничивающих объем плазмы. Ниже на рисунках ионы и электроны двух типовбудут обозначены красным, зеленым и голубым цветами.В качестве рабочих газов были рассмотрены неон, аргон и ксенон.
Концентрациянейтральных частиц изменялась в диапазоне 1.1014 – 3.1016см-3. Необходимые длярасчетов сечения упругих столкновений, ионизации и возбуждения были взяты из работы[137, 138, 145–147]. Ступенчатые процессы, также как столкновения тяжелых частицмежду собой не учитывались. Для ускорения расчетов во всех случаях масса ионовполагалась равной 2000me, где me – масса электрона.71Рис.2.17. Расчетная область.1 – область занятая плазмой, 2 – диэлектрические стенки, 3 - граница счетной области,помеченная красным цветом, представляет собой идеальный проводник имеет нулевойпотенциал. Ось источника плазмы совпадает с осью z.
Крестиками помечены положениявитков с током. Результаты моделирования представлены в сечениях, проходящих черезточки #1, #2, #3.Расчеты проводились по следующей схеме:1. Задавалось начальное распределение плазмы в центральной части источника плазмытак, как показано на рис.2.18. Начальная концентрация электронов и ионов равнялась1.1010см-3.Рис.2.18. Начальное распределение плазмы.2.
Задавалась величина тока, текущего через антенну.3. Рассчитывалось изменение параметров плазмы в зависимости от времени инаходились стационарные решения.72В зависимости от величины тока, текущего через антенну, зависимость полногочисла частиц в счетной области от времени имела различный вид (см. рис.2.19). В случае,когда число частиц со временем уменьшалось до нуля, считалось, что индуктивный разрядпри заданном токе через антенну существовать не может.
В случае, когда число частиц современем слабо изменялось или резко возрастало, считалось, что индуктивный разрядреализуется. К сожалению, в случае резкого возрастания со временем числа частиц неудавалось достичь стационарных режимов из-за сильного возрастания счетного времени.(а)(б)(в)Рис.2.19. Зависимость полного числа частиц в расчетной области от времени приразличных значениях тока, текущего через антенну. Красная кривая – ионы, зеленаякривая – электроны, возникающие в результате ионизации атомов электронами, голубаякривая - электроны, возникающие в результате ионно-электронной эмиссии на стенкахисточника плазмы.73ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА ПАРАМЕТРЫПЛАЗМЫ ВЧ ИНДУКТИВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКАПЛАЗМЫДля нахождения связи между внутренними и внешними параметрами ВЧиндуктивного технологического источника плазмы были выполнены экспериментальныеисследования параметров плазмы и численное моделирование физических процессов виндуктивном и гибридном ВЧ разрядах.
Особенностью индуктивного ВЧ разряда являетсято, что поглощение ВЧ мощности определяется параметрами плазмы в области скин-слоя,поэтому большое внимание в данной работе уделялось изучению закономерностейизменения параметров плазмы вблизи стенок источника плазмы.3.1. Параметры плазмы индуктивного ВЧ разряда в области скинслоя3.1.1. Результаты измерений энергетического распределения электроновНа рис. 3.1 показаны энергетические распределения электронов (ФРЭЭ),полученные при мощности ВЧ генератора 300 Вт в зависимости от давления аргона(рис.3.1(а)) и при давлении 30 мТор в зависимости от мощности ВЧ генератора(рис.3.1(б)). Энергетические распределения были рассчитаны по экспериментальнымзондовым характеристикам с помощью метода регуляризации А.Н.
Тихонова [151, 152].Стоит отметить, что ошибка в определении энергетического распределения электроновметодом регуляризации увеличивается при приближении к потенциалу пространства.Из рис. 3.1 видно, что в исследованных диапазонах давления и мощности формаФРЭЭ аналогична полученной в литературе [53]. В диапазоне давлений 3–30 мТор примощностях генератора выше 100 Вт ФРЭЭ можно разделить на три части: медленные,средние и быстрые электроны (см. Главу 1) [53]. Эффективная температура электронов сосредней энергией оказывается выше температуры группы быстрых электронов. Дляизмеренных ФРЭЭ характерен дефицит быстрых электронов.
С ростом давления имощности ВЧ генератора пороговое значение энергии, при котором начинается обеднениефункции распределения, смещается в область более низких энергий. Для полученныхФРЭЭ избыток медленных электронов наблюдается, однако он выражен значительнослабее, чем в [53]. Это может быть связано с погрешностью расчета ФРЭЭ методомрегуляризации.74При самом низком давлении и порядка 0.1 Тор вид ФРЭЭ изменяется (рис.3.1(а)).Обзор литературы показывает, что наблюдавшаяся форма ФРЭЭ характерна для разряда сналичием емкостной составляющей [64, 75, 76, 54, 97].110 мТор-11076 мТор-110-1100.8 мТор 10-11/2f(ε)/ε , отн. ед.10-110-210-310-410-210-210-310-2-31010-41010-410100246468 10 12 14 16-52-410-4108 10 12 14 16100-310-510-2-310-4-3-210-3-510100 Вт300 Вт400 ВТ500 ВТ-1-2101010-310-1105.7 мТор3 мТор101/2-110 мТорpAr=30 мТор-210f(ε)/ε , отн.
ед.30 мТор02468 10 12 14 1610-51002468 10 12 14 16-410-510-40246108 10 12 14 160-51002468 10 12 14 16246810 12ε, эВ-50 2 4 6 8 10 12 14 16ε, эВабРис.3.1. ФРЭЭ, измеренные в области скин-слоя (r = 19 см), в зависимости (а) отдавления при мощности ВЧ генератора Pgen=300Вт и (б) от мощности ВЧ генератора придавлении p = 30 мТор.3.1.2. Результаты измерений концентрации и эффективной температурыэлектроновНа рис.
3.2 показано поведение концентрации электронов в области скин-слоя приизменении давления инертных газов для различных значений мощности ВЧ генератора.Как и следовало ожидать, увеличение мощности ВЧ генератора приводит к ростуконцентрацииэлектроновпривсехрассмотренныхдавленияхинертныхгазов.Наибольшая концентрация электронов достигается в криптоне, наименьшая – в гелии.Обращает на себя внимание, что существуют две области давления, характеризующиесяразличным поведением плотности плазмы с изменением давления. В первой областидавлений концентрация электронов увеличивается с ростом давления при всехрассмотренных мощностях ВЧ генератора, во второй – падает. Абсолютные значениядавлений в первой области меньше значений давления во второй области. Величинадавления р*, при котором возрастающий характер изменения концентрации электроновсменяется убыванием, зависит от рода газа.
Так, в гелии максимум электронной плотностинаблюдается при давлении 100 мТор, в аргоне – при 30 мТор, а в криптоне – в области 1035 мТор. Сказанное отчетливо видно на рис.3.3, где показаны зависимости концентрации75электронов от давления ne ( p ) при фиксированной мощности ВЧ генератора для всехрассмотренных инертных газов.ne, см103x10p*ar = 19 см200 Вт300 Вт400 Вт500 ВтHe 2 МГцp*б-3ne, смr = 19 ñì100 Âò200 Âò300 Âò400 Âò500 Âò111.0x10102x10Ne 2 МГц105.0x10101x100-310-2-3-210-110102x101x1011-3вp*-3r = 19см100 Вт200 Вт300 Вт400 Вт500 Вт101p, Торp, Торne, см-110ne, смг113x10Ar 2 МГцp*Kr 2 МГц112x10r = 19см100 Вт200 Вт300 Вт400 Вт500 Вт11111x10-310-2-11010110p, Тор-3-210-1p, Тор10Рис. 3.2.
Зависимости концентрации электронов (r = 19 см ) от давления гелия (а), неона(б), аргона (в), криптона (г) при различной мощности ВЧ генератора.Pgen= 500 Вт11HeNeArKr3x102 МГцne, см-3112x10111x100-310-210p, Тор-110010Рис. 3.3 . Зависимости концентрации электронов от давления ne ( p ) для гелия, неона,аргона, криптона при мощности генератора Pgen = 500 Вт. r = 19 см.На рис.
3.4 показана зависимость эффективной температуры электронов отдавления инертных газов при различных мощностях ВЧ генератора. Как видно, ростмощности ВЧ генератора Рgen и давления инертного газа в области p<p* сопровождаютсяпонижением эффективной температуры электронов Те. Кроме того, при увеличениидавления происходитсглаживание зависимостей Те от Рgen и сближение величинэффективных температур на протяжении всего диапазона мощностей.
Наибольшая76температура электронов наблюдается в гелии, наименьшая в криптоне. Увеличениедавления в области p>p* сопровождается медленным ростом температуры электронов.Особенно сильно эффект выражен в гелии. Это видно из рис. 3.5, где показанызависимостиэффективнойтемпературыэлектроновотTe ( p )давленияпрификсированной мощности ВЧ генератора для всех рассмотренных инертных газов.He15r = 19 см200 Вт300 Вт400 Вт500 Вт2 МГцp*Ne1510Te, эВTe, эВ10550-31010-20-11010p, Тор-3-21б2 Ì ÃöKrr = 19 см100 Вт200 Вт300 Вт400 Вт500 Втp*3r = 19см100 Вт200 Вт300 Вт400 Вт500 Вт42 МГцp*3Te, эВ42110p, ТорAr5-110аTe, эВr = 19см100 Вт200 Вт300 Вт400 Вт500 Втp*2 МГц21-310-210-110p,Тор01-3-21010вp, Тор-110гРис.
3.4. Зависимости эффективной температуры электронов (r = 19 см) от давлениягелия (а), неона (б), аргона (в), криптона (г) при различной мощности ВЧ генератора.Te, эВ2 МГцPgen= 500 ВтHeNeArKr1086420-310-2-11010010p, ТорРис.3.5 . Зависимости температуры Te ( p ) электронов от давления для гелия, неона, аргона,криптона при мощности генератора Pgen = 500 Вт. r = 19 см.77Представленные ранее зависимости были получены в индуктивном ВЧ разряде,горящем на частоте 2 МГц.
На рис. 3.6 собраны зависимости эффективной температурыTe ( p ) и концентрации ne ( p ) электронов от давления аргона для всех рассмотренныхрабочих частот ВЧ генератора 2, 4 и 13.56 МГц. Можно видеть, что абсолютные значенияконцентрации максимальны для частоты 2 МГц, наименьшие значения концентрациибыли получены при работе на частоте 13.56 МГц. Увеличение рабочей частоты приводитк смещению положения максимума зависимости ne ( p ) в область бóльших давлений. Так,при частоте 2 МГц максимум концентрации электронов в разряде в аргоне достигается вдиапазоне давлений 0.01 – 0.03 Тор, а при частоте 13.56 МГц – при давлении порядка 0.2Тор.
Эффективная температура электронов с ростом давления инертных газов такжепроходит через минимум для всех рабочих частот. Наименьшие значения Те характерныдля рабочей частоты 2 МГц. При давлениях более 0.1 Тор эффективная температураэлектронов возрастает в случае всех рассмотренных частот, причем наиболее ярко эффектпроявляется для 4 МГц.Pgen= 500 Вт-3ne, смr = 19 см2МГц4МГц13,56МГц112x10111x100-41010-3-210p, Тор10-1010аPgen= 500 ВтTe, эВr = 19 см2МГц4МГц13,56 МГц1086420-410-31010-2-110010p, ТорбРис.
3.6. Зависимости концентрации ne ( p ) (а) и температуры Te ( p ) (б) электронов (r =19см) от давления аргона для рабочих частот генератора f = 2; 4; 13,56 МГц примощности генератора Pgen = 500 Вт.78Результаты, представленные выше, были получены при фиксированной мощностиВЧ генератора. Естественно предположить, что немонотононный характер измененияпараметров плазмы связан с перераспределением мощности ВЧ генератора междуплазмой и внешней цепью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
