Диссертация (1102520), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Активное сопротивление определяет вложение мощности череземкостной канал, а эквивалентное сопротивление плазмы характеризует вложение мощностичерез индуктивный канал. Отметим, что при увеличении концентрации электронов активноесопротивление плазмы падает, а эквивалентное сопротивление плазмы растет прирассмотренных внешних условиях. Расчеты показали, что при изменении внешних условийразряда происходят самосогласованное изменение концентрации электронов, активногосопротивления плазмы и емкостной составляющей разряда, а также потока энергии,выносимой ионами на стенки.Как отмечалось выше, в гибридном разряде возникает падение потенциала U междуплазмой и электродом, зависящее от напряжения между обкладками конденсатора.
Расчетыпоказывают, что при низких значениях приэлектродного скачка потенциала U основнымканалом потерь в объеме плазмы, так же как в индуктивном разряде, являются затратыэнергии на возбуждение атомов аргона максвелловскими электронами. Рост паденияпотенциала в приэлектродных слоях приводит к возрастанию роли канала потерь энергии,связанного с выносом энергии ионами на электроды. При значениях U > 200 В при всехрассмотренных давлениях указанный канал является преобладающим.
Области максимумаконцентрации электронов соответствуют областям, где значения U минимальны и вложениемощности в разряд идет преимущественно через индуктивный канал. Последнее достигаетсяпри условии близости рабочей частоты и частоты столкновений электронов с атомами.Расчеты показали, что концентрация электронов в неоне ниже, чем в других инертныхгазах. При этом активное сопротивление плазмы, роль емкостного канала изначенияприэлектродного скачка потенциала выше. Это приводит к существенному понижению16концентрации электронов в гибридном разряде по сравнению с индуктивным. Длякриптона ситуация обратная, поэтому значения ne для гибридного разряда достаточно велики.Однако в области давлений выше 100 мТор, где падает эквивалентное сопротивление плазмы,начинаетсябыстрыйростU,падениеконцентрацииэлектронов,ростактивногосопротивления плазмы и доли мощности, поступающей в разряд через емкостной канал.
Этообъясняет быстрый спад концентрации электронов в гибридном разряде в криптоне вуказанном диапазоне давлений.В случае более высокой частоты импеданс антенны возрастает, а импеданс паразитнойемкости между антенной и плазмой падает по сравнению с частотой 2 МГц. Это приводит кповышению вклада емкостного канала при увеличении частоты ВЧ генератора. Расчетыпоказывают, что при низких давлениях приэлектродное падение потенциала в разряде,организованном на частоте 2 МГц, существенно ниже, чем на частоте 13.56 МГц.Соответственно, концентрация электронов в разряде на более низкой частоте выше. Придавлении 100 мТор значения U для частоты 13.56 МГц становятся ниже, чем в случае частоты2 МГц, вследствие смещения положения максимума эквивалентного сопротивления плазмы вобласть более высоких давлений.
Это объясняет смещение максимума плотности плазмы начастоте 13.56 МГц в область больших давлений по сравнению с частотой 2 МГц. Напомним,что смещение положения максимума концентрации электронов в область больших давленийпри увеличении рабочей частоты было зафиксировано экспериментально.Результатыисследований,представленныевглаве,проявилисущественнуюзависимость концентрации и эффективной температуры электронов от внешних параметровразряда: рода и давления инертного газа, мощности ВЧ генератора, рабочей частоты, наличияемкостной составляющей разряда.
В зависимости от требований технологической задачивозможна оптимизация параметров плазмы путем изменения внешних параметров разряда.Так, использование рабочей частоты 2 МГц, аргона или криптона в качестве рабочего газапозволяет получать максимальную плотность плазмы при давлениях менее 30мТор. Приболее высоких давлениях: 30 – 300 мТор целесообразно использование неона и рабочейчастоты 13.56 МГц, позволяющих получить плазму с существенно более высокойплотностью, чем при других внешних параметрах.Четвертая глава диссертации посвящена изучению влияния внешних параметровразряда на пространственное распределение концентрации и эффективной температурыэлектронов.
Для этого в широком диапазоне условий существования индуктивного ВЧ17разряда были выполнены систематические исследования пространственногораспределенияФРЭЭ,эффективнойтемпературыиконцентрацииэлектронов.Экспериментальные данные сопоставлены с результатами моделирования индуктивного ВЧразряда PIC методом.Для анализа полученных экспериментальных результатов были произведены оценкидлин свободного пробега λ и релаксации энергии λ электронов, толщины скин-слоя δ, т.е.εвеличин,оказывающихсущественноевлияниенапространственноераспределениепараметров плазмы индуктивного ВЧ разряда.Зондовые измерения энергетических распределений электронов, проведенныевцентре и на периферии источника плазмы, показали, что при давлениях, не превышающих 10мТор, в центральных частях источника плазмы наблюдается избыток медленных электронов,запертых стационарными электрическими полями.
Энергетические распределения быстрыхэлектронов (в области энергий, доступных для зондовых измерений) близки друг к другу вовсем объеме источника плазмы. В области давлений более 10 мТор ФРЭЭ, измеренные вцентре и периферийных частях разряда, становятся близки друг к другу. При давлении 0.2Тор, когда длина релаксации энергии электронов становится сравнимой с толщиной скинслоя, в центральной части разряда эффективная температура электронов становится ниже,чем на периферии. Наиболее однородное радиальное распределение и максимальныевеличины ионного тока насыщения, имеющего ключевое значение для ряда технологий,удается получить при давлении аргона порядка 0.1 Тор.
При давлении 0.1 мТор также можнополучить достаточно однородное радиальное распределение ионного тока насыщения,однако абсолютные величины ионного тока меньше. Максимальная область однородностиплазмы, полученная в настоящих экспериментах, составляет величину порядка 20 см.Параллельносзондовымиизмерениямибыловыполненоисследованиепространственного распределения интенсивности спектральных линий инертных газов.Наиболее интересный результат был получен в экспериментах с плазмой гелия.
Измеренияпоказали, что отношение интенсивности двух спектральных линий НеI 5016 Å и 4713 Åзависит от радиуса, а именно, увеличивается при приближении к стенкам источника плазмы.Эффект наблюдается при условии, что частота столкновений электронов меньше рабочейчастоты источника.
Спектральные линии НеI 5016 Å и 4713 Å обладают сильноразличающимся ходом оптических функций возбуждения, и их отношение чувствительно кизменению энергетического распределения электронов в области больших энергий. Оценки18показывают, что объяснить полученный результат можно существованием вобласти скин-слоя электронов, энергия которых превышает величины, «доступные» длязондового метода. Энергия быстрых электронов увеличивается при приближении к стенкамисточника плазмы.
Причина обеднения центральных частей разряда быстрыми электронами виндуктивном ВЧ разряде в теоретической работе [85] объясняется тем, что на быстрыеэлектроны, которые ускоряются азимутальным полем в пределах скин-слоя, действуетцентробежная сила, препятствующая их перемещению к центральным областям разряда.Параллельносэкспериментальнымиисследованиямибыловыполненоматематическое моделирование физических процессов в индуктивном ВЧ разряде вдиапазоне давлений 0.003 – 1 Тор. Как и следовало ожидать, расчеты показали, что в случаевозбуждения индуктивного ВЧ разряда азимутальным током основной компонентой ВЧмагнитного поля является Bz. Магнитное поле Bz достигает максимальных значений вблизивитков тока и убывает по мере удаления от индуктора.
Получены временные зависимостикомпонент ВЧ электрического поля вблизи стенок источника плазмы, которые показывают,что в пределах скин-слоя основными компонентами ВЧ электрического поля являютсяазимутальное Eφ и радиальное Er поля. Амплитуда продольного электрического ВЧ поля Ezпренебрежимо мала. Обращает на себя внимание тот факт, что азимутальное поле Eφосциллирует на основной частоте со средним значением равным нулю, в то время какрадиальное поле Er имеет отличную от нуля постоянную составляющую, а частотаосцилляций переменной составляющей поля близка к удвоенной рабочей частоте. По мереудаления от стенок источника плазмы постоянная составляющая Er исчезает.
В работепоказано, что причиной возникновенияпостоянной составляющей Er является сильнаянеоднородность ВЧ полей, которая, в свою очередь, приводит к появлению силы Миллера FM[50, 56, 91], выталкивающей электроны из области сильного поля. Переменная составляющаяВЧ поля, осциллирующая на удвоенной частоте, является результатом воздействия силыЛоренца на электроны, дрейфующие в скин-слое под действием ВЧ электрического поля приналичии продольного ВЧ магнитного поля Вz [50,60].Отмечено, что в области скин-слоя величины радиального ВЧ поля существеннопревышают значения азимутального поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
