Диссертация (1102520), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Можно видеть, что однородное распределениеионного тока удается получить вблизи нижнего фланца источника плазмы. В центральномсечении на распределение i+(r), по-видимому, оказывает влияние емкостная связь междуплазмой и антенной.1,8Ar; p=0.2 мТор; 13.56 МГц; 500 Вт1,61,4зонд у нижнегофланца5 Гс10 Гс15 Гсзонд в центр.сечении5 Гс10 Гс15 Гсi+, мА1,21,00,80,60,40,2-15-10-5051015r, смРис.5.8.
Пространственное распределение ионного тока насыщения при различныхзначениях индукции внешнего магнитного поля. Давление аргона 0.2 мТор, мощность ВЧгенератора 500 Вт, рабочая частота 13.56 МГц.146Рассматривая результаты, полученные в настоящем разделе, можно сделать вывод,чтоизменениевеличинывнешнегомагнитногополяпозволяетуправлятьпространственным распределением ионного тока насыщения. Наибольшие по размеруобласти однородной плазмы (диаметром более 30 см) удалось получить, работая начастоте 4 МГц при использовании однородного магнитного поля с индукцией порядка15 Гс.5.3.Влияниевеличиныпространственноеиндукциираспределениевнешнегомагнитногоконцентрациииполянаэффективнойтемпературы электроновНа рис.
5.9 – 5.10 представлены энергетические распределения электронов,измеренные в центральном сечении источника плазмы при различных значенияхиндукции внешнего магнитного поля, рабочих частотах 2, 4 и 13.56 МГц.1000-110-210-3B = 0 Гс-122d I/dV2d I/dVB = 15 Гс1021010-210-3100510150510V, Ва152025V, ВбРис.5.9. Энергетические распределения электронов, измеренные при r = 0 см (синиекривые), r = 11 см (красные кривые) и - r = 18 см (зеленые кривые). а – В = 0 Гс, б – 15 Гс.Давление 4 мТор, рабочая частота – 2 МГц.147f (ε)/ε10r = 19 смB = 0 ГсB = 15 ГсB = 30 Гс010f (ε)/ε1/2-11/210r = 0 смB = 0 ГсB = 15 ГсB = 30 Гс-2-110-21010-3-3100102030010ε, эВ20ε, эВабРис.5.10.
Энергетические распределения электронов, измеренные при а – r = 0 см иб – r = 18 см. Давление 4 мТор, рабочая частота – 4 МГц.10B=0010Pgen=500 ВтArArr=0r = 18 см10-1Pgen=500Wr=0r = 18-113.56МГц22d I/dV2d I/dV210B = 5 Гс010-210-210-313.56МГц10-30510V, Ва152005 10 15 20 25 30V, Вб148B = 10 Гс100Pgen=500 ВтAr-110-2B = 15 Гс0Pgen=500 ВтArr=0r = 18 см10-110-2r=0r = 18 см22d I/dVd I/dV22101013.56МГц13.56МГц10-310051015-32005101520V, ВV, ВвгРис.5.11. . Энергетические распределения электронов, измеренные при r=0см(открытые кружки) и - r= 18см (заполненные кружки).а –В = 0 Гс, б – 5 Гс, в – 10 Гс, г –15 Гс.
Давление 4 мТор, рабочая частота – 13.56 МГц.Измерения показали, что при магнитных полях менее 15 Гс и всех рассмотренныхрабочих частотах форма энергетического распределения электронов слабо отличается отнаблюдаемого без магнитного поля (см. главу 4). Наклон кривых f (ε) / ε у стенокисточника плазмы несколько превышает наклон в центральных частях разряда.При рабочей частоте 4 МГц и магнитном поле 15 Гс наблюдается значительноеизменение формы и средней энергии электронов в центре источника плазмы посравнению с периферией.
Это также видно из рис. 5.12, где представлены зависимостисредней энергии электронов от индукции внешнего магнитного поля.7Te, эВ654p = 0.14 мТорr = 0 смr = 18 см32051015202530B, ГсРис.5.12. зависимость эффективной температуры электронов от величинымагнитного пол. Давление аргона 0.14 мТор. Рабочая частота 4 МГц. Мощность ВЧгенератора 500 Вт.149Эффективная температура электронов у стенок источника плазмы слабо убывает сувеличением B. Одновременно эффективная Тe в центре источника плазмы возрастает.При значениях В≤ В*=12 Гс значения эффективной Тe у стенок источника плазмы выше,чем в центре, затем соотношение между значениями эффективной температуры вразличных областях источника плазмы меняется на противоположное.
Увеличениедавления приводит к смещению В*, т.е. магнитного поля, при котором эффективныетемпература электронов в центре и на периферии сравниваются, в область большихмагнитных полей (см. рис.5.13). При давлении 32 мТор в рассмотренном диапазоневеличин магнитного поля достичь В* не удалось (см. рис.5.14).83.6 мТорr = 0 смr = 18 см7Te, эВ6543205101520253035B, ГсРис.5.12. Зависимость эффективной температуры электронов от величинымагнитного пол. Давление аргона 3.6 мТор. Рабочая частота 4 МГц.
Мощность ВЧгенератора 500 Вт.4,0p = 32 мТорr=0r = 18 смTe, эВ3,53,02,52,0051015202530B, ГсРис.5.13. Зависимость эффективной температуры электронов от величинымагнитного поля. Давление аргона 32 мТор. Рабочая частота 4 МГц. Мощность ВЧгенератора 500 Вт.150Представленные на рис.5.11-5.13 зависимости соответствуют рабочей частоте4МГц. Измерения показали, что при частоте 2 МГц даже при давлении 4 мТор во всемрассмотренном диапазоне магнитных полей эффективная температура электронов устенок источника плазмы выше, чем в центре. Это видно из рис.5.9.
При рабочей частоте13.56 МГц средняя энергия электронов у стенок и в центре совпадают в пределахпогрешности эксперимента (см. рис.5.11).На рис. 5.14-5.16 представлены результаты расчета ВЧ полей по формулам,полученным в [43, 113].Ar 1 мТор 2МГцR=23 см L=30 см11-3ne=10 см0,000140,000120,000100,000080,00006Eϕ0,000040,000021,00,80,00000100806040 B, Гс200,60,40,200,0r/RРис.5.14. Пространственное распределение азимутального электрического поля.2МГц, 1 мТор.Ar 1мТор 4МГцR=23см L=30см11-3ne=10 см0,000140,000120,000100,000080,00006Eϕ0,000040,00002B, Гс0,00000100806040201,00,80,60,400,20,0r/RРис.5.15.
Пространственное распределение азимутального электрического поля.4МГц, 1 мТор.151Ar 1мТор 13.56МГцR=23см L=30см11-3ne=10 см0,00140,00120,0010Eϕ0,00080,00060,00040,00021,00,8800,6r/R100600,4400,2200,0ГсB,0Рис.5.16. Пространственное распределение азимутального электрического поля.13.56 МГц, 1 мТор.Как видно, в области резонансного поглощения ВЧ мощности происходитпроникновение ВЧ полей в центральные части разряда.
Это дает основание считать, чтоодной из основных причин повышения эффективной температуры электронов вцентральных областях плазмы является локальный нагрев электронов. Стоит отметить,что при рабочей частоте 4 МГц нагрев электронов в центре становится существенным вобласти резонансного увеличения поглощения ВЧ мощности плазмой.
Выход из резонанса(наиболее отчетливо это видно на рис. 5.15) приводит к усилению полей вблизи стенокисточника плазмы. Здесь, так же как и в области до резонанса, ВЧ поля и, соответственно,эффективная температура электронов максимальны вблизи стенок источника плазмы.Рост давления приводит к ухудшению проникновения ВЧ полей в плазму (см.рис.5.17, 5.18). Неудивительно при этом, что с ростом давления не удается получитьпротяженных областей однородной плазмы.Ar 10мТор 4МГцR=23см L=30см11-3ne=10 см0,00015Eϕ0,000100,000051,00,00000800,8600,6r/R400,4200,20,0B,Гс0Рис.5.17. Пространственное распределение азимутального электрического поля.4МГц, 10мТор.1520,00014Ar 100мТор 4МГцR=23см L=30см11-3ne=10 см0,000120,000100,00008Eϕ0,000060,000040,000020,0000060401,00,80,6r/R200,40,2B, Гс00,0Рис.5.18.
Пространственное распределение азимутального электрического поля.4МГц, 100мТор.В заключение раздела рассмотрим поведение концентрации электронов приизменении индукции магнитного поля (см. рис.5.19). При давлении аргона 0.14 мТор иВ<15 Гс концентрация электронов в центре выше, чем на периферии, при В ~ 15 Гсрадиальное распределение плотности плазмы выравнивается. Неудивительно, что примагнитном поле 15 Гс было получено наиболее равномерное распределение ионного токанасыщения (см.
рис. 5.7). При давлении 3.6 мТор выравнивание плотности плазмыпроисходит при бóльших значениях магнитного поля, а именно, при В = 26 Гс. При ещеболее высоком давлении 32 мТор во всем рассмотренном диапазоне магнитных полейплотность электронов в центре выше, чем на периферии.ne, см0.14 мТорr=0r = 18 см3.6 мТорr=0r = 18 см32 мТорr=0r = 18 см-32,0x10111,5x10111,0x10115,0x10100510152025303540B, ГсРис.5.19. Зависимость концентрации электронов от величины магнитного поля.
Давленияаргона 0.1; 3.6 и 32 мТор. Рабочая частота 4 МГц. Мощность ВЧ генератора 500 Вт.153Рассматривая результаты, полученные в настоящем разделе, можно сделать вывод,чтоизменениепространственнымконцентрациивеличинывнешнегораспределениемэлектронов.ВиобластимагнитноговеличинамирезонансногополяпозволяетэффективнойпоглощенияуправлятьтемпературыВЧимощностиэффективная температура электронов в центре источника плазмы возрастает посравнению с периферией, вне области резонанса нагрев электронов идет главным образомвблизи стенок. Варьируя величину магнитного поля, можно получить протяженнуюобласть с однородной концентрацией и температурой электронов. Наилучший результатможно получить, используя рабочую частоту 4 МГц.154Основные результаты и выводы1.
На основании систематического экспериментального исследования и численногомоделирования физических процессов в технологическом ВЧ индуктивномисточнике плазмы показано, что вложение ВЧ мощности в плазму разрядаосуществляется по двум каналам: основному — индуктивному, формируемомутекущим по индуктору током, приводящим к возбуждению вихревых ВЧ полей, исопутствующему—емкостномуканалу,возникающемуврезультатесуществования паразитной емкости между витками индуктора и плазмой.Показано, что при одной и той же мощности ВЧ генератора зависимостьконцентрации и эффективной температуры электронов в области скин-слоя отдавления является немонотонной.
Концентрация электронов максимальна, аэффективная температура электронов минимальна в диапазоне давлений 0.01 –0.1 Тор. Области максимума концентрации электронов соответствуют областямнаибольшего вложения мощности через индуктивный канал и достигаются приусловии близости рабочей частоты и частоты столкновений электронов с атомами.В области больших давлений происходят самосогласованное уменьшениеконцентрации электронов, рост активного сопротивления плазмы, увеличениеемкостной составляющей разряда и потока энергии, выносимой ионами на стенки.При условиях преобладания индуктивной составляющей разряда понижениеконцентрации электронов в области больших давлений происходит за счет ростапотерь энергии на излучение по сравнению с затратами на ионизацию.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
