Диссертация (1102520), страница 21
Текст из файла (страница 21)
4.36. Пространственное распределение εi (а,в) и wa (б,г) при давлениях 10 мТор (а,б) и1 Тор (в,г).1374.4.5. Пространственное распределение плотности плазмыНа рис. 4.37 показано пространственное распределение плотности плазмы,рассчитанное при различных давлениях аргона. Как видно, при давлениях менее 0.1 Тормаксимум электронной плотности достигается в центральных частях разряда. При болеевысоких давлениях максимум электронной плотности смещается к стенкам источникаплазмы. Это связано с тем, что при давлениях, превышающих 0.1 Тор, ввод ВЧ мощностивплазмустановитсялокальным.Результатыматематическогомоделированияиндуктивного разряда в неоне и ксеноне качественно совпадают с описанными выше.Однако переход к локальному режиму ввода ВЧ мощности в неоне происходит принесколько более высоких давлениях, чем в аргоне.Рис.
4.37. Пространственное распределение плотности плазмы при различных давленияхаргона.1384.5 Возможности управления пространственным распределениемпараметров плазмыРезультаты исследований, представленных в настоящей главе, показали, чтоключевым фактором, влияющим на пространственное распределение параметров плазмы,является давление. Наиболее однородное радиальное распределение ионного токанасыщения, имеющего ключевое значение для ряда технологий, удается получить придавлении аргона порядка 0.1 Тор. Максимальная область однородности плазмы,полученная в настоящих экспериментах, составляет величину порядка 20см.139Глава 5.
Влияние внешнего магнитного поля на параметрыплазмы индуктивного ВЧ разряда5.1.Влияниевеличиныиндукциивнешнегомагнитногополянаэффективность вложения ВЧ мощности в плазмуВ главе 1 на основе обзора литературы было показано, что наложение внешнегомагнитного поля на плазму индуктивного ВЧ разряда приводит при определенныхрезонансных значениях магнитного поля к возбуждению геликонных и косыхленгмюровских волн, изменению закономерностей проникновения ВЧ полей в плазму ивозрастанию эффективности вложения ВЧ мощности в плазму. Таким образом, величинаиндукции внешнего магнитного поля является одним из ключевых факторов влияния напараметры плазмы индуктивного разряда. В связи с этим были выполнены исследованиязависимости эффективности вложения ВЧ мощности в плазму.
Результаты измеренийзависимости эквивалентного сопротивления плазмы от величины индукции магнитногополя В, выполненные при рабочих частотах 2, 4 и 13.56 МГц и фиксированной мощностиВЧ генератора 300 Вт, показаны на рис.5.1.Rpl, отн. ед.Ar300 Вт102 МГц4 МГц13.56 МГц1-50510152025303540455055B, ГсРис.5.1. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от величины индукциивнешнего магнитного поля при рабочих частотах 2, 4 и 13.56 МГц. Давление аргона0.1 мТор, мощность ВЧ генератора 300 Вт.Как видно, поглощение ВЧ мощности плазмой носит резонансный характер.Положение резонанса соответствует области возбуждения связанных между собойгеликонов и косых ленгмюровских волн [37, 43, 113]. При рабочей частоте 2 МГцмагнитное поле оказывает относительно слабое влияние на способность плазмыпоглощать ВЧ мощность.
Рост рабочей частоты сопровождается значительнымувеличением эквивалентного сопротивления и смещением области резонансногопоглощения мощности в область больших В. Увеличение мощности ВЧ генератора также140приводит к увеличению эквивалентного сопротивления плазмы и смещению областирезонансного поглощения мощности в область больших В (см. рис.5.2)13.56 МГц250 Вт300 Вт350 Вт4 МГц111 Вт200 Вт300 Вт400 Вт16Ar14Rpl, Ом1210864200102030405060B, ГсРис.5.2. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от величины индукциивнешнего магнитного поля при различных мощностях ВЧ генератора и рабочих частотах4 и 13.56 МГц. Давление аргона 0.1 мТор.Для того чтобы найти физическую причину резонансного характера поглощенияВЧ мощности, экспериментальные данные были сопоставлены с результатами численногорасчета эквивалентного сопротивления плазмы по формулам, полученным в [43, 113] наоснованиирешения электродинамическойзадачиовозбужденииВЧполейвпространственно ограниченном индуктивном источнике плазмы.
Результаты расчетаэквивалентного сопротивления при условиях, близких к условиям эксперимента, показаны25на (см. рис.5.3, 5.4).2 МГц4 МГц13 МГц20Rpl, Ом15105001020304050B, ГсРис.5.3. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от величины индукциивнешнего магнитного поля, рассчитанные по формулам, полученным в [43, 113]. Давлениеаргона 1 мТор, концентрация плазмы 1.1010 см-3.141104 МГц10-310 см11-310 смRpl, Ом864200102030405060708090100B, ГсРис.5.4. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от величины индукциивнешнего магнитного поля, рассчитанные по формулам, полученным в [43, 113]. Давлениеаргона 1 мТор, концентрация плазмы 1.1010 см-3 и 1.1011 см-3.Расчеты показывают, что положение локальных максимумов эквивалентногосопротивления (см. рис.5.3, 5.4) соответствуют условиям резонансного возбуждениягеликонов и косых ленгмюровских волн.
Сравнение рис. 5.1, 5.2 с рис. 5.3, 5.4 показывает,что экспериментальные и расчетные данные находятся в качественном согласии друг сдругом. Это дает основание полагать, что наблюдаемое в экспериментах резонансноеувеличение способности плазмы поглощать ВЧ мощность связано с резонанснымвозбуждением геликонов и косых ленгмюровских волн.Суммируя результаты, полученные в настоящем разделе, можно сделать вывод,что, работая при магнитных полях, соответствующих областям резонансного поглощенияВЧ мощности, и рабочих частотах 2 МГц и выше, удается оптимизировать вложение ВЧмощности в плазму. Эффект увеличивается с ростом рабочей частоты.5.2.Влияниевеличиныиндукциивнешнегомагнитногополянапространственное распределение ионного тока насыщенияВ главе 4 было показано, что существенное влияние на пространственноераспределение параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда оказывают соотношениямежду характерным геометрическим размером источника плазмы, толщиной скин-слоя,длиной свободного пробега электронов и длиной релаксации энергии электронов.Последние две величины определяются частотами столкновений электронов, которые, всвою очередь, зависят от давления газа и энергетического распределения электронов.
Приналожении на разряд внешнего магнитного поля появляется еще один параметр,оказывающий существенное влияние на пространственное распределение параметров142плазмы, а именно ларморовский радиус электронов. На рис.5.5 показаны значенияларморовского радиуса электронов с энергией, лежащей в диапазоне 1 – 100 эВ.101 эВ4 эВ10 эВ30 эВ100 эВrL, см10,10,01020406080100B, ГсРис.5.5.
Значения ларморовского радиуса электронов с энергией, лежащей в диапазоне 1 –100 эВ.Как видно, уже при магнитном поле 5 Гс ларморовский радиус электроновоказывается существенно ниже радиуса источника плазмы. Более того, ларморовскийрадиус оказывается сравнимым с характерным размером скин-слоя. Последнее говорит отом, что наложение внешнего магнитного поля приводит к смене нелокального режимаввода ВЧ мощности локальным при низких давлениях, когда длина свободного пробегаэлектронов существенно превышает не только толщину скин-слоя, но и радиус источникаплазмы.Этооткрываетширокиевозможностиуправленияпространственнымраспределением параметров плазмы, т.к наложение внешнего магнитного поля приводит ксущественным изменениям области локализации ВЧ полей в плазме.Одним из наиболее значимых для технологических применений параметровявляется пространственное распределение ионного тока насыщения i+. Рассмотримповедение i+ в центральном сечении источника плазмы при изменении индукциивнешнего магнитного поля B.
Результаты измерений, выполненные при давлении 4 мТори рабочих частотах 2, 4 и 13.56 МГц, показаны на рис.5.6.1432,0p = 4 мТор0 Гс5 Гс15 Гс30 Гс2 МГцi+, мА1,51,00,5Ar0,0-202468 10 12 14 16 18 20r, сма2,0p = 4 мТор4МГц0 Гс10 Гс15 Гс30 Гсi+, мА1,51,00,5Ar0,0-202468 10 12 14 16 18 20 22 24r, смб2,0i+, мА1,5Ar1,013.56 МГц0,50 Гс15 Гсp = 4 мТор0,0-202468101214161820r, смвРис.5.6. Радиальные распределения ионного тока в центральном сечении,измеренные при давлении 4 мТор и рабочих частотах 2 (а), 4 (б) и 13.56 МГц (в).144Изрис.5.5видно,чтоувеличениесопровождаетсяВизменениемпространственного распределения ионного тока насыщения. При отсутствии магнитногополя значения ионного тока максимальны на оси источника плазмы.
Рост В сначалаприводит к выравниванию величин i+. по радиусу источника, а затем к появлению провалав центральных областях разряда. При одних и тех же значениях В провал тем сильнее, чемвыше рабочая частота разряда. Характер изменения зависимости i+(r) сохраняется и приувеличении давления аргона (см.
рис.5.6), однако, область однородности плазмысужается. Особенно заметно это проявляется в сечении у нижнего фланца источника.Наилучшее по однородности распределение удается получить при давлениях 0.1 – 4 мТори индукции магнитного поля В=10–15 Гс. (см. рис.5.7).4,54,03,5зонд у нижнегофланца0 Гс5 Гс10 Гс15 Гсзонд в центр.сечении0 Гс5 Гс10 Гс15 ГсI+, мА3,02,52,01,51,0Ar; p=30 мТор; 4 МГц; 500 Вт0,50,0-15-10-5051015r, смРис.5.6. Пространственное распределение ионного тока насыщения при различныхзначениях индукции внешнего магнитного поля.
Полые значки – зонд в центральномсечении источника плазмы (z = 15см), сплошные – у нижнего фланца. Давление аргона 30мТор, мощность ВЧ генератора 500 Вт, рабочая частота 4 МГц.1452,0i+, мА1,5зонд у нижнегофланца0 Гс5 Гс10 Гс15 Гсзонд в центр.сечении0 Гс5 Гс10 Гс15 Гс1,00,5Ar; p=0.2 мТор; 4 МГц; 500 Вт0,0-15-10-5051015r, смРис.5.7. Пространственное распределение ионного тока насыщения при различныхзначениях индукции внешнего магнитного поля. Полые значки – зонд в центральномсечении источника плазмы (z = 15см), сплошные – у нижнего фланца. Давление аргона0.2 мТор, мощность ВЧ генератора 500 Вт, рабочая частота 4 МГц.На рис.5.8 показано пространственное распределение ионного тока насыщения,измеренное при различных значениях индукции внешнего магнитного поля прииспользовании рабочей частота 13.56 МГц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
