Диссертация (1102520), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Этот эффект отмечался также в работах [50, 56,91]. По мере роста давления постоянная составляющая радиального поля падает, и придавлении 1 Тор радиальное и азимутальное поля сравниваются по величине. В литературе[50, 55, 56, 92] отмечается, что радиальное ВЧ поле, реализующееся в области низких19давлений,можетбытьниже,чемпредсказанноеформулойМиллера.Действительно, в случае, когда скорость дрейфа частиц не определяется локальнымиэлектрическими полями, тепловое движение может привести к их уходу в область болеенизких значений поля. Рост рабочей частоты, так же как и рост давления, приводит кпонижению радиальной составляющей ВЧ поля, так что при давлении 1мТор и частоте 12.5МГц азимутальное поле в скин-слое существенно превышает радиальное.Рассмотрены изменения во времени функций распределения электронов покомпонентам скорости при давлении 10 мТор. Рассчитаны и проанализированы функциираспределения электронов по азимутальной скорости f(uϕ) в различные фазы тока антенны.Отмечено, что в области скин-слоя азимутальный ток дважды за период изменяетнаправление своего движения.
Заметные изменения азимутальной компоненты скоростиэлектронов указывают на то, что при низких давлениях в области скин-слоя скоростьнаправленного движения электронов превышает или сравнима с тепловой.Анализ поведения функции распределения электронов по радиальной компонентескорости f(ur) при изменении фазы тока антенны показывает, что в отличие от азимутальнойкомпоненты f(ur) слабо зависит от времени. Обращает на себя внимание, что функция f(ur)ассиметрична относительно 0, а именно в скин-слое отсутствуют быстрые частицы,движущиеся по направлению к границе скин-слоя.
Наиболее вероятно это связано сдействием силы Миллера, выталкивающей частицы из области скин-слоя в центральныеобласти разряда. Рост рабочей частоты, сопровождающийся снижением постояннойсоставляющейрадиальногополя,приводиткуменьшениюассиметриифункциираспределения электронов по радиальной компоненте скорости.Расчеты показали, что функция распределения электронов по продольной компонентескорости f(uz) симметрична и не зависит от времени.Расчеты позволили проанализировать влияние давления на характер измененияфункции распределения электронов по скоростям.
Расчеты показали, что наибольшеесмещение f(uϕ) наблюдается при наименьшем из рассмотренных давлениях – 1 мТор.Вероятность столкновений здесь низка, и электроны ускоряются азимутальным полем,каждый полупериод изменяя направление движения. В центральной части разряда функцияf(uϕ) симметрична, она представляет собой распределение электронов по тепловой скорости.Расчеты показывают, что скорость направленного движения при давлении 1 мТорсущественно превосходит тепловую.20Рост давления и, соответственно, частоты столкновений приводит кпонижению скорости направленного движения по сравнению с тепловым.
Таким образом,при давлении 100 мТор разница между функциями f(uϕ), рассчитанными для центральных ипериферийных областей разряда исчезает. При давлении 1 Тор, когда не только длинасвободного пробега электронов, но и длина релаксации энергии электронов становитсяменьше толщины скин-слоя, функция распределения f(uϕ) в центральной части разрядаобедняется быстрыми электронами, т.к. вложение ВЧ мощности происходит локально впределах скин-слоя. Аналогичные изменения с увеличением давления претерпевают функциираспределения по радиальной и продольной составляющим скорости электронов.Полученные значения функции распределения электронов по скоростям былииспользованы для расчета средней энергии электронов εi с учетом только изотропной частифункции распределения и кинетической энергии wa с учетомкак направленной, так иизотропной части распределения.
Расчеты показали, что при наименьшем из рассмотренныхдавлений p = 1 мТор кинетическая энергия электронов в области скин-слоя существеннопревышает кинетическую энергию электронов в центральных областях разряда, где величиныwa близки к энергии электронов εi, рассчитанной по изотропной части функциираспределения. Рост давления приводит к выравниванию wa по объему источника плазмы исближению величин wa и εi.
Однако при давлении 1 Тор как значения wa, так и εi существеннопонижаются в центральных частях разряда по сравнению с периферией. Это являетсяследствием локального характера ввода ВЧ мощности в индуктивный ВЧ разряд.ИзменениехарактерапоглощенияВЧмощностипроявляетсяивповедениипространственного распределения электронной плотности. 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 мощности вплазму становится локальным.Результаты исследований, представленные в четвертой главе, показали, что ключевымфактором, влияющим на пространственное распределение параметров плазмы, являетсядавление. Наиболее однородное радиальное распределение и максимальную величинуионного тока насыщения, имеющего ключевое значение для ряда технологий, удаетсяполучить при давлении аргона порядка 0.1 Тор. Максимальная область однородностиплазмы, полученная в настоящих экспериментах, составляет величину порядка 20см.21Пятая глава диссертации посвящена изучению влияния внешнегомагнитного поля на параметры плазмы индуктивного ВЧ разряда.Результаты измерения эквивалентного сопротивления показали, что наложениевнешнего магнитного поля с индукцией в диапазоне 0 – 50 Гс приводит к появлениюобластей резонансного поглощения ВЧ мощности.
Сопоставление результатов экспериментовс расчетами, выполненными на основании теоретических формул, полученных в [38, 43, 113],показали, что область резонансного поглощения ВЧ мощности соответствует областирезонансного возбуждения связанных между собой геликонов и косых ленгмюровских волн.Увеличение рабочей частоты приводит к смещению области резонансного поглощения ВЧмощности в область больших магнитных полей. Таким образом, работая при магнитныхполях, соответствующих областям резонансного поглощения ВЧ мощности, и рабочихчастотах 2 МГц и выше, удается оптимизировать вложение ВЧ мощности в плазму. Эффектувеличивается с ростом рабочей частоты.В главе 4 было показано, что существенное влияние на пространственноераспределение параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда оказывают соотношения междухарактерным геометрическим размером источника плазмы, толщиной скин-слоя, длинойсвободного пробега электронов и длиной релаксации энергии электронов.
Последние двевеличины определяются частотами столкновений электронов, которые, в свою очередь,зависят от давления газа и энергетического распределения электронов. При наложении наразряд внешнего магнитного поля появляется еще один фактор, оказывающий существенноевлияние на пространственное распределение параметров плазмы, а именно ларморовскийрадиус электронов. Оценки показывают, что уже при магнитном поле 5 Гс ларморовскийрадиус электронов оказывается существенно меньше радиуса источника плазмы. Более того,ларморовский радиус оказывается сравнимым с характерным размером области локализацииВЧполей.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 параметров являетсяпространственное распределение ионного тока насыщения i+.
Эксперименты, выполненные вслучае с аргоном, показали, что при отсутствии магнитного поля В значения ионного токамаксимальны на оси источника плазмы. Рост В сначала приводит к выравниванию величин i+по радиусу источника, а затем к появлению провала в центральных областях разряда. При22одних и тех же значениях В провал тем сильнее, чем выше рабочая частота разряда.Характер изменения зависимости i+(r) сохраняется и при увеличении давления аргона,однако область однородности плазмы сужается. Особенно заметно это проявляется в сеченииу нижнего фланца источника.
Наилучшее по однородности распределение удается получитьпри давлениях 0.1 – 4 мТор и индукции магнитного поля В = 10 – 15 Гс для рабочих частот f= 2 и 4 МГц. Удается получить область однородной плазмы диаметром не менее 30см.Измерения показали, что при магнитных полях менее 15 Гс и всех рассмотренныхрабочих частотах форма энергетического распределения электронов слабо отличается отнаблюдаемого без магнитного поля.
Наклон кривых зависимости второй производнойзондового тока от потенциала у стенок источника плазмы несколько превышает наклон вцентральных частях разряда. Однако при рабочей частоте 4 МГц и магнитном поле 15 Гснаблюдается значительное изменение формы и средней энергии электронов в центреисточника плазмы по сравнению с периферией.Представлены зависимости средней энергии электронов от индукции внешнегомагнитного поля. Показано, что эффективная температура электронов у стенок источникаплазмы слабо убывает с увеличением B. Одновременно эффективная Те в центре источникаплазмы возрастает. При значениях В ≤ В* = 12 Гс значения эффективной Те у стенокисточника плазмы выше, чем в центре, затем соотношение между значениями эффективнойтемпературы в различных областях источника плазмы меняется на противоположное.Увеличение давления приводит к смещению В*, т.е. магнитного поля, при которомэффективные температура электронов в центре и на периферии сравниваются, в областьбольших магнитных полей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
