Диссертация (1102520), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Это позволяет считать полученные результаты полностьюобоснованными и достоверными.Практическая и теоретическая ценность работыПолученные результаты могут служить основой для объяснения физических свойствиндуктивного и гибридного ВЧ разрядов в инертных газах, построения полной физическоймодели разрядов.
Кроме того, результаты работы позволяют выделить основные внешниепараметры, влияющие на характеристики плазмы технологических ВЧ индуктивныхисточников плазмы. Результаты, представленные в диссертации, могут быть востребованыприразработкеиоптимизацииплазменныхреакторовдляполупроводниковойпромышленности, ВЧ электрореактивных двигателей, источников ионов и света.7Основные положения диссертации, выносимые на защиту•Результаты систематического экспериментального исследования влияния внешних условийразряда на величины и пространственное распределение параметров плазмы (концентрации,эффективнойтемпературыэлектронов,эквивалентногосопротивленияплазмы)технологического индуктивного ВЧ источника плазмы в диапазонах давления 1·10-3 – 1 Торинертных газов (гелия, неона, аргона или криптона), мощности ВЧ генератора 0 – 500 Вт причастотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 – 50 Гс.•Результаты численного моделирования физических процессов в индуктивном ВЧ разряде.•Результаты анализа влияния емкостной составляющей, рабочей частоты, давления ирода инертного газа, величины внешнего магнитного поля на величины ипространственное распределение параметров плазмы, эффективность поглощения ВЧмощности плазмой индуктивного ВЧ разряда.Апробация диссертацииОсновные результаты работы обсуждались на семинарах кафедры физической электроникифизического факультета МГУ и докладывались на следующих конференциях:1.
Международная конференция «Физика высокочастотных разрядов». Казань, 2011.2. XXXVIII международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС.Звенигород, 2011.3. XXXIX международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС.Звенигород, 2012.4. 11-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2012». Москва, 2012.5.
XL международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС.Звенигород, 2013.6. Научная конференция «Ломоносовские чтения -2013». Москва, 2013.7. 4th Workshop on Radio frequency Discharges. La Presqu'île de Giens, France, 2013.ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях в рецензируемых научныхжурналах из перечня ВАК России и 12 тезисах в сборниках трудов конференций.8Личный вклад автораВсе представленные в диссертационной работе оригинальные результаты полученылично автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялисьпроведение эксперимента, обработка, анализ экспериментальных данных, численноемоделирование. При участии автора проводилась интерпретация результатов численногомоделирования эксперимента.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Первая глава носит вводный характер исодержит обзор литературы, вторая глава содержит описание установки, основных использованныхэкспериментальныхметодовиматематическихмоделей,использованныхдлячисленногомоделирования физических процессов в индуктивном ВЧ разряде. Третья, четвертая и пятая главыявляются оригинальными. Диссертация содержит 172 страницы, включая 127 рисунков и библиографиюиз 152 наименований.Содержание работыДиссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.Во введении сформулированы основные цели и задачи диссертации, представленыактуальность данных исследований, научная новизна и практическая ценность, перечисленызащищаемые положения и кратко изложено содержание всех глав диссертации.В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.В начале главы представлены различные классы устройств, работающие на основеиндуктивного ВЧ разряда, их рабочие характеристики и области применения [1–23].
Далееобзор посвящен рассмотрению основных физических особенностей индуктивного ВЧ разрядапри условиях типичных для современных технологических источников плазмы приотсутствиииналичиивнешнегомагнитногополя.Рассмотренызакономерностискинирования, основные механизмы поглощения ВЧ мощности [24–47].
Затронут вопрос ороли емкостной составляющей в поддержании разряда [37, 41, 42].Результаты исследований [1–132], представленных в обзоре литературы, показали, чтоизменение давления, величины внешнего магнитного поля, одновременное использование9индуктивной и емкостной составляющих для поддержания разряда открываютширокие перспективы для гибкого управления параметрами разряда, необходимого длятехнологических приложений.
Вместе с тем из обзора литературы видно, что, несмотря наогромное количество работ, посвященных ВЧ разряду, вопрос о возможностях управленияпараметрами плазмы изучен далеко не полно. Исходя из всего вышесказанного, былисформулированы задачи диссертационной работы.Вторая глава содержит описание экспериментальной установки, методики измерений иусловий экспериментов, методик численного моделирования.Индуктивный ВЧ разряд поджигался в цилиндрических источниках плазмы, диаметрыкоторых 46см и 15 см и высоты – 30см и 15 см, соответственно. Первый узел ввода ВЧмощности был выполнен в виде спиральной антенны, расположенной на боковойповерхности источника плазмы. Второй, с помощью которого был организован гибридныйВЧ разряд для исследования влияния емкостной составляющей разряда, состоял изтрехвитковой спиральной медной антенны, расположенной на внешней стороне источникаплазмы диаметром 15 см и обкладок конденсатора, расположенных на внутренней сторонефланцев.
С помощью ВЧ генератора на концах антенны создавалось ВЧ напряжениеамплитуды V . Измерения текущего по антенне тока I i производились с помощью поясаРоговского.При условии согласования нагрузки с генератором часть ВЧ мощности PGen ,поступающей от генератора во внешнюю цепь индуктивного ВЧ разряда, расходуется нанагрев индуктора, а часть — поглощается плазмой [37].
Мощность Ppl , вложенная в плазму,находилась путем измерения величин мощности ВЧ генератора и напряжения на выходе изсистемы согласования при наличии разряда и без него [32–34, 37, 39, 51]. Эквивалентноесопротивление плазмы R pl [38–44] индуктивного и гибридного ВЧ разрядов рассчитывалосьна основе измеренных величин мощности, поглощенной плазмой, ВЧ напряжения на концахантенны и амплитуды тока, текущего через нее.Концентрация и энергетическое распределение электронов определялось зондовымметодом.Дляэтоговцентральномсеченииисточникарасполагалсяподвижныйцилиндрический зонд длиной 7 мм и диаметром 0.3 мм, позволяющий проводить измеренияпараметров плазмы по радиусу. Энергетическое распределение электронов определялось по10зависимости электронного тока на зонд от потенциала зонда с помощью методовчисленного дифференцирования [45], а также метода регуляризации А.Н.
Тихонова [151,152].Параллельно с зондовыми измерениями были выполнены пространственные измеренияинтенсивностисвеченияплазмы.Измеренныезначенияотношенияинтенсивностиспектральных линий с различной зависимостью сечений возбуждения от энергий электроновбыли использованы для оценки эффективной температуры быстрых электронов.Эксперименты проводились в разряде в гелии, неоне, аргоне, криптоне в диапазонедавлений 1·10-3 – 1 Тор при мощностях ВЧ генераторов 50 – 500 Вт, работающих на частотах2, 4, 13.56 МГц.Численное моделирование физических процессов индуктивного разряда осуществлялосьна основании уравнений баланса [38, 114, 115], записанных для усредненных по объемуисточникаплазмыконцентрациймаксвелловскихэлектроновиионов,уравненияквазинейтральности и уравнения баланса энергии в разряде. Вложение ВЧ мощности вплазму индуктивного разряда осуществляется по двум каналам: основному — индуктивному,формируемому текущим по индуктору током, приводящим к возбуждению вихревых ВЧполей, и сопутствующему — емкостному каналу, возникающему в результате существованияпаразитной емкости между витками индуктора и плазмой.
Моделирование влиянияемкостной составляющей на параметры индуктивного ВЧ разряда осуществлялось спомощью математической модели гибридного ВЧ разряда [37, 42, 131, 132]. Модельпредполагает, что узел ввода ВЧ мощности выполнен в виде параллельно соединенныхиндуктора (антенны) и обкладок конденсатора, расположенных вне источника плазмы.Между антенной и обкладками конденсатора включена разделительная емкость С,моделирующая емкость между обкладками конденсатора и плазмой. Предполагалось, чторядом с электродами, формирующими емкостную ветвь разряда, возникает приэлектродноепадение потенциала U, величина которого определяется напряжением, создаваемым наконцах антенны ВЧ генератором за вычетом падения напряжения на разделительной емкостиС.
Электроны, рождаемые на поверхности электродов благодаря процессам ионноэлектронной эмиссии, ускоряются приэлектродным падением потенциала. Это приводит кпоявлению в разряде группы быстрых электронов с энергией eU дополнительно к группемедленных максвелловских электронов. Так же как и модель индуктивного ВЧ разряда,модель гибридного ВЧ разряда основана на уравнениях баланса [41, 42, 116, 131], записанных11для усредненных по объему источника плазмы концентраций основных компонентразряда,уравненииквазинейтральностииуравнениибалансаэнергиив разряде.Дополнительно используется система уравнений, описывающая процессы во внешней цепигибридного ВЧ разряда и позволяющая рассчитать значения U.Для анализа закономерностей изменения пространственного распределения параметровплазмы в работе использовалась программа KARAT [133, 134], позволяющая моделироватьиндуктивный ВЧ разряд PIC методом [135].
Код KARAT позволяет решать нестационарныеэлектродинамические задачи со сложной геометрией, учитывающие динамику электронов,ионов. Математической моделью, лежащей в основе кода, являются уравнения Максвелла сграничными условиями и уравнения движения заряженных частиц, для решения которыхиспользуется метод крупных частиц (PIC-метод). В данной работе использоваласьосесимметричная версия задачи, в которой заданы 2 координаты (r, z) и учитываются 3компоненты скорости частиц (ur, uϕ, uz). Счетная область – цилиндр длиною 10 см и радиусом5 см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
