Диссертация (1102520), страница 17
Текст из файла (страница 17)
В соответствии с формулой (2.2) эквивалентное сопротивлениегибридногоВЧразрядаопределяетсяэквивалентнымсопротивлениемплазмыиндуктивного канала, активным сопротивлением емкостного канала и импедансамииндуктивного и емкостного каналов. Увеличение рабочей частоты гибридного ВЧ разрядаприводит к понижению импеданса емкостного канала и повышению импедансаиндуктивного канала.
Это сопровождается увеличением вклада емкостного канала вэквивалентное сопротивление и доли мощности, поступающей в разряд через емкостнойканал. На рис. 3.36, 3.37 показаны зависимости доли мощности, поступающей в разрядчерез емкостной канал, и эквивалентного сопротивления разряда от давления для частот 2и 13.56 МГц. Можно видеть, что на частоте 2 МГц роль емкостного канала прирассмотренных параметрах внешней цепи мала, и эквивалентное сопротивлениегибридногоразрядафактическисовпадаетсэквивалентнымсопротивлениеминдуктивного разряда.
Иная ситуация наблюдается в случае рабочей частоты 13.56 МГц.Здесь наличие емкостной составляющей приводит к существенному росту эквивалентногосопротивления. Аналогичная зависимость наблюдалась экспериментально.010Pc/(Pc+Pind)-110-210ArL=4мкГн C=100пФ2МГц13.56МГц-310-410050100p, мТор150200Рис.
3.36. Зависимость доли ВЧ мощности, поступающей в разряд через емкостной канал,в зависимости от параметров внешней цепи. Рабочие частоты 2 и 13.56МГц.Rpl, Ом10010L=4 мкГн C=100 пФ2 МГцинд.гибр.13.56 МГцинд.гибр.1050100150200p, мТорРис. 3.37. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от параметров внешнейцепи. Рабочие частоты 2 и 13.56 МГц.101Рассмотрим, как влияют параметры внешней цепи на эквивалентное сопротивлениеплазмы (рис.
3.38, 3.39). Можно видеть, что рост индуктивности антенны и величиныразделительной емкости приводят к росту доли мощности, поступающей в разряд череземкостной канал, и к резкому увеличению эквивалентного сопротивления.Ar 13.56МГцL=1мкГн C= 30пФL=1мкГн C=100пФL=2мкГн C=100пФL=4мкГн C=100пФ1,0Pc/(Pc+Pind)0,80,60,40,20,0110100p, мТорРис.3.38.
Зависимость доли ВЧ мощности, поступающей в разряд через емкостной канал,в зависимости от параметров внешней цепи. Рабочая частота 13.56 МГц.300Ar 13.56 МГцL=1мкГн C= 30пФинд.гибр.L=1мкГн C=100пФинд.гибр.L=2мкГн C=100пФинд.гибр.L=4мкГн C=100пФинд.гибр.250Rpl, Ом20015010050110100p, мТорРис.3.39. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от параметров внешнейцепи. Рабочая частота 13.56 МГц.Результаты расчетов показали (рис.
3.38), что роль емкостной составляющейгибридного ВЧ разряда усиливается в области давлений 1 мТор и ниже и в областидавлений 10 мТор и выше. Наличие емкостной составляющей разряда приводит к ростуэквивалентного сопротивления плазмы (рис. 3.39). Этим объясняется, по-видимому,102отсутствие падающего участка зависимости эквивалентного сопротивления плазмы отдавления в тяжелых инертных газах в области давлений 100 мТор и выше.Расчеты показали, что при изменении внешних условий разряда происходятсамосогласованное изменение концентрации электронов, активного сопротивленияплазмы и емкостной составляющей разряда, а также потока энергии, выносимой ионамина стенки.Области максимума концентрации электронов соответствуют областям, гдезначения U минимальны и вложение мощности в разряд идет преимущественно черезиндуктивный канал.
Последнее достигается при условии близости рабочей частоты ичастоты столкновений электронов с атомами.3.4. Возможности управления параметрами плазмы ВЧ индуктивноготехнологическогоисточникаплазмыпутемизменениявнешнихпараметров разрядаРезультатысущественнуюисследований,зависимостьпредставленныхпараметровплазмы:внастоящейконцентрацииглаве,ипроявилиэффективнойтемпературы электронов — от внешних параметров разряда: рода и давления инертногогаза, мощности ВЧ генератора, рабочей частоты, наличия емкостной составляющейразряда.
В зависимости от требований технологической задачи возможна оптимизацияпараметров плазмы путем изменения внешних параметров разряда. Так, использованиерабочей частоты 2 МГц, аргона или криптона в качестве рабочего газа позволяет получатьмаксимальную плотность плазмы при давлениях менее 30 мТор. При более высокихдавлениях: 30 – 300 мТор целесообразно использование неона и рабочей частоты13.56МГц, позволяющих получить плазму с существенно более высокой плотностью, чемпри других внешних параметрах.Одним из основных факторов, влияющих на параметры плазмы технологическогоисточника плазмы, является емкостная составляющая разряда, возрастающая сувеличением рабочей частоты.
Наличие емкостной составляющей разряда, с однойстороны, приводит к уменьшению плотности плазмы, а с другой — к увеличениюэффективнойтемпературыэлектронов,чтоможетпривестикоптимизациитехнологических процессов плазмохимии. Соотношение между емкостной и индуктивнойсоставляющей разряда определяется величинами индуктивности антенны и емкостимежду антенной и плазмой, а также металлическими элементами конструкциитехнологических источников.103Глава 4. Влияние внешних параметров на пространственноераспределениеконцентрациииэффективнойтемпературыэлектронов4.1. Особенности индуктивного ВЧ разряда, наблюдаемые приизменении давления и рода газаНа рис. 4.1 представлены фотографии индуктивного ВЧ разряда в неоне (а, б) иаргоне (в, г), иллюстрирующие изменение характера горения разряда при увеличениидавления аргона. Как видно, при рабочем давлении порядка 1 мТор разряд занимает весьобъем источника плазмы.
По мере роста давления до величин порядка 10 мТоринтенсивность свечения в центральных частях разряда возрастает по сравнению спериферией. При увеличении давления до 100 мТор и выше общий вид разрядаизменяется: свечение плазмы в центральных областях источника уменьшается иконцентрируется вблизи витков индуктора, как в продольном, так и в радиальномнаправлении. Дальнейший рост давления, как правило, сопровождается понижениеминтенсивности свечения плазмы, появлением светящегося слоя, характерного дляемкостного ВЧ разряда, у нижнего металлического фланца источника плазмы иисчезновению разряда.
В ряде случаев в области слоя возникают бегущие в азимутальномнаправлении страты. Придавлениях порядка 1 Тор и выше горение разряда примощностях ВЧ генератора, не превышающих 500 Вт, оказывается невозможным.Исключением является разряд в неоне, который существует в значительно более широкомдиапазоне давлений.абв104гРис.4.1. Фотографии индуктивного ВЧ разряда в неоне (а, б) и аргоне (в, г),иллюстрирующие изменение характера горения разряда при увеличении давления газов.На рис. 4.2 представлены результаты измерения радиальных распределенийинтенсивности свечения I плазмы гелия при увеличении давления рабочего газа.
Каквидно, представленные на рис. 4.2 результаты подтверждают сказанное выше. Изменениедавления аргона сопровождается существенным изменением характера горения разряда.При низких давлениях плазма относительно равномерна в пространстве. Рост давлениясначала приводит к росту I и концентрации свечения плазмы в центральных частяхисточника плазмы, затем смещению максимумов I к области локализации скин-слоя.Очевидно, что указанные изменения параметров разряда связаны с переходом разряда изрежима «свободного полета» заряженных частиц к диффузионному [150], из режима,характеризуемого нелокальным вводом ВЧ мощности, к локальному.2,52,01,51,00,504812R,16см20-1241010010-2100,0-410-3рТо,pРис.4.2.
Радиальные распределения интенсивности свечения плазмы при различныхдавлениях гелия.105Для того чтобы детально разобраться в физических особенностях измененияпараметров плазмы индуктивного ВЧ разряда в широком диапазоне условий егосуществования, былираспределениявыполнены систематические исследования пространственногоэнергетическогоконцентрации электронов.распределения,эффективнойтемпературыиЭкспериментальные данные сопоставлены с результатамимоделирования индуктивного ВЧ разряда PIC методом.Рассмотрение полученных результатов целесообразно начать с оценок длинысвободного пробега λ и длины релаксации энергии λ электронов.ε1064.2.
Длины свободного пробега λ и релаксации энергии λ ε электроновВыполненные ранее исследования параметров плазмы в области скин-слояпозволяют оценить длины свободного пробега электронов λ и релаксации энергииэлектронов λ , толщину скин-слоя, т.е. величины, определяющие области существованияεразличных режимов горения разряда. Длина свободного пробега электронов λопределялась по формуле:λ = 1 (na σ ) ,(4.1)а длина релаксации энергии электронов λ [2]:ε 2m ν ee 2 eε exc ν exc 2 eε iz+ + λε = λ+Mν3kTν3 kTemem ν izν + 3 iz νm νm−1 / 2,(4.2)где na – концентрация атомов, σ – эффективное сечение упругих столкновений,усредненное по измеренному энергетическому распределению электронов, m – массаэлектрона, М – масса иона, νm – частота упругих столкновений электронов с атомами, νee –частота электрон-электронных столкновений, νexc – частота возбуждения атомов, νiz –частота ионизации атомов, εexc – энергия возбуждения атомов, εiz – энергия ионизацииатомов, Te – температура электронов, k – постоянная Больцмана.Величина скин-слоя δ оценивалась по формуле (1.3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
