Диссертация (1102520), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

При давлении 32 мТор в рассмотренном диапазоне величинмагнитного поля достичь В* не удалось.Результаты расчетов радиального распределения ВЧ полей в плазме, выполненных поформулам, полученным в [38, 43, 113] показали, что в области резонансного поглощения ВЧмощности происходит проникновение ВЧ полей в центральные части разряда. Это даетоснование считать, что одной из основных причин повышения эффективной температурыэлектронов в центральных областях плазмы является локальный нагрев электронов.Рассматривая результаты, полученные в пятой главе, сделан вывод, что изменениевеличинывнешнегомагнитногополяпозволяетуправлятьпространственнымраспределением и величинами эффективной температуры и концентрации электронов.

Вобласти резонансного поглощения ВЧ мощности эффективная температура электронов в23центре источника плазмы возрастает по сравнению с периферией, вне областирезонанса нагрев электронов идет главным образом вблизи стенок. Варьируя величинумагнитного поля, можно получить протяженную область с однородной концентрацией итемпературой электронов. Наилучший результат можно получить, используя рабочуючастоту 4 МГц.В заключении приведены основные результаты и выводы диссертационной работы.24Глава 1. Обзор литературыИндуктивный ВЧ разряд низкого давления является неотъемлемой частьюмногочисленных земных и космических технологий [1-14].

Разряд используется вполупроводниковой промышленности при производстве чипов [1–3, 7], в качествеактивной среды космических электрореактивных двигателей [8–11], источников света [12],в процессах поверхностной модификации материалов, напыления и осаждения покрытий[13, 14]. Основными классами устройств, работающими на индуктивном ВЧ разрядеявляются: 1) высокочастотные источники ионов [2, 8–11, 14], для которых характерныплотности плазмы 3·1010 – 3·1011см-3 при давлении нейтрального газа порядка 0.1мТор; 2)плазменные реакторы [1–7] с плотностью плазмы ― 1011 – 3·1012см-3 и давлением газа от 1до 30мТор; 3) безэлектродные источники света [12] с давлением нейтрального газа 0.1 1Тор. В ряде устройств на основе индуктивного ВЧ разряда используется конфигурации,когда источник плазмы помещается в магнитное поле, величина которого изменяется от 0до 1кГс [4, 5, 15–23].

Для улучшения вложения мощности используют магнитные поля,соответствующие условиям ЭЦР и условиям возбуждения геликонов и косыхленгмюровских волн [4]. При этом достигаются плотности плазмы до 3·1012см-3 прирабочих давлениях газа 1–10 мТор.В настоящее время практическое использование разряда, развитие и оптимизацияхарактеристик источников плазмы, предназначенных для реализации плазменныхтехнологий, ставят задачу нахождения ключевых внешних параметров разряда,позволяющих управлять основными параметрами разряда, а именно: концентрацией иэнергетическимраспределениемэлектронов,пространственнымраспределениемуказанных величин, способностью плазмы поглощать ВЧ мощность. Очевидно, чторешение указанной задачи может быть получено только на основании изученияфундаментальных свойств плазмы индуктивного ВЧ разряда. Рассмотрим основныерезультаты исследования физических свойств индуктивного ВЧ разряда при отсутствии иналичии внешнего магнитного поля, известные из литературы до начала выполнениянастоящей диссертации.1.1.

Индуктивный ВЧ разрядИзвестно [24−26], что индуктивный ВЧ разряд возникает при прохождении токачерез индуктор или антенну, которые обычно расположены на боковой или торцевойповерхности цилиндрического источника плазмы (рис.1.1).25Рис.1.1. Cхемы возбуждения индуктивного ВЧ разряда.Исследование физики индуктивного ВЧ разряда имеет длительную историю.Высокочастотный безэлектродный разряд был открыт И.В. Гитторфом в 1884 году [24].И.В. Гитторф заметил, что остаточный газ в вакуумной трубке, помещённой в соленоид,начинает светиться, как только через соленоид начинает течь высокочастотный ток.

В1891г. Дж. Дж. Томсоном было высказано предположение [25], что возбуждение иподдержаниеиндуктивногоразряда−эторезультатвоздействиявихревогоэлектрического поля, которое создается ВЧ магнитным полем, индуцируемым припротекании тока по антенне. Вихревое электрическое поле нагревает электроны доэнергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего газа.Известно, что ВЧ поля скинируются в проводящих средах. Закономерностипроникновения ВЧ полей в плазму индуктивного разряда впервые были изученыДж.Дж.Томсоном. В работе [25] им был рассмотрен случай цилиндрическогоиндуктивного источника плазмы при условии, что его длина L намного превышала радиусR, L >> R .

Были записаны уравнения Максвелла для продольной составляющеймагнитного поля Bz и азимутальной составляющей напряженности электрического поляEϕ для среды, обладающей диэлектрической проницаемостью ε, представленной в виде:ε =1−ω2Le.ω(ω + iν )где ω – круговая частота ВЧ поля,(1.1)ωLe – Ленгмюровская частота, ν – эффективнаячастота столкновений электронов. Пренебрегая током смещения, в результате несложныхпреобразований Дж. Дж.Томсоном было получено уравнение для азимутального ВЧэлектрического поля в плазме:1 ∂  ∂Eϕ   1 ω2 r −  + ε  Eϕ = 0 ,r ∂r  ∂r   r 2 c 2 (1.2)26 ω ε  при условии, что cрешением которого является функция Бесселя первого рода J1  rконцентрация электронов, их эффективная частота столкновений, и, следовательно,диэлектрическая проницаемость плазмы не зависят от радиуса цилиндрическогоисточника.При условии, что ν »ω, аргумент функции Бесселя является чисто мнимым, и ВЧполя в плазме быстро убывают по мере продвижения вдоль радиуса от стенок источника кцентру.

Характерная длина δ, на которой происходит убывание ВЧ поля, названатолщиной скин-слоя и определяется формулой нормального скин-слоя:1/ 2 c2 δ =  ν 2  ωLe ω (1.3)В работах [25,26] расчет структуры ВЧ полей был выполнен в приближении ν »ω,когда длина свободного пробега электронов λ (λ=VTe/ ν , VTe=(Te/m)1/2 тепловая скоростьэлектронов, Te, m – температура и масса электронов) много меньше толщины скин-слоя δ,λ«δ.

В этом случае индуцированный в плазме ток j определяется ВЧ полем E,существующим в данной точке пространства, т. е. связь между j и E является локальной.Противоположный предел λ»δ известен как область аномального скин-эффекта [27].При этом плотность тока заряженных частиц в данной точке плазмы определяетсязначениями электрического поля вдоль всей траектории движения частиц, т.е. связьмежду током j и величиной электрического поля E, а также связь между электрическимполем E и электрической индукцией D, является нелокальной. Уравнения, связывающие jи E, E и D, представляют собой интегральные соотношения.Качественная теория аномального скин-эффекта была разработана А. Пиппардом вработе [27].

Предположение А. Пиппарда заключалось в разделении электронов на, такназываемые, «эффективные» электроны, которые движутся почти параллельно (подмалыми углами θ ≤ δ⁄λ) поверхности источника плазмы,и «неэффективные» — длякоторых θ ≥ δ⁄λ. В рамках такого представления «эффективные» электроны вносятосновной вклад в ток проводимости, текущий в скин-слое. Остающиеся «неэффективные»электроны слишком быстро покидают скин-слой, и, следовательно, электрические поля«не успевают» оказать на них существенного воздействия.

Это приводит к падениюэффективной плотности плазмы и тока проводимости в δ⁄λ раз. С учетом данной поправкив соответствующем выражении для диэлектрической проницаемости получено выражениедля аномального скин-слоя [27, 28]:271/ 3 c 2λ δ =  4πωpσ ,(1.4)где σ – проводимость плазмы по постоянному току, p – постоянная, близкая к единице.В работах [29, 30] на основании последовательного теоретического решения задачио проникновении поперечной волны в полуограниченную плазму в условиях аномальногоскин-эффекта получен спектр частот поперечной волны в неограниченной электроннойплазме ( ν « kVTe):ω = −i2 k 3c 2VTe.π ω2Le(1.5)В соответствии с формулой (1.5) частота поперечных колебаний оказывается чистомнимой,чтосвязаносапериодическимзатуханиемпоперечныхколебанийвнизкочастотной области вследствие их сильного черенковского поглощения электронамиплазмы.Глубинапроникновениянизкочастотногопоперечногополявплазмуопределяется формулой:1/ 31λ sk ==2Im k62  c 2VTe  ,π  ωω 2Le (1.6)Отметим, что формула (1.6) отличается от (1.4) только множителем.В процессе развития представлений о природе индуктивного ВЧ разряда Дж.

Дж.Томсон в 1927 г. предложил рассматривать эквивалентную схему идеального ВЧ разрядакак трансформатор [31] (см. рис.1.2). Первичной обмоткой такого трансформатораявляется индуктор, состоящий из N витков, обладающих индуктивностью Lant исопротивлением Rant. Индуцированный в плазме ток формирует его вторичную обмотку,состоящую из одного витка и обладающую индуктивностью L1+Le и сопротивлением R2.Первичная и вторичная обмотки трансформатора связаны коэффициентом взаимнойиндукции M.аРис.1.2.

Эквивалентная схема разряда.б28В работах [32–34] трансформаторная схема ВЧ индуктивного разряда былаиспользована для анализа закономерностей энерговклада в разряд. Трансформаторнаясхема была сведена к последовательной схеме (рис.1.2(б)), где эквивалентные значенияплазменного сопротивления и индуктивности определяются выражениями [1, 33, 35]:R pl =ω2 M 2 R2,R22 + (ωLe + ωL1 ) 2(1.7)ω2 M 2 ( L1 + Le ),Lpl = − 2R2 + (ωLe + ωL1 ) 2(1.8)где L1 – «геометрическая» индуктивность, определяемая формой и размером разряда, и Le– электронная индуктивность, которая следует из комплексного характера проводимостиплазмы.

Величина мощности, поглощенная плазмой, определяется формулой [1, 34, 35]:Ppl = R pl I 2 ,(1.9)которая связана с мощность ВЧ генератора Pgen выражением:Pgen = ( Rant + R pl ) ⋅ I 2(1.10)В работе [36] показано, что величина ВЧ мощности, поглощаемой плазмой, можетбыть представлена выражением:[]2Lω R22Ppl =r ε′⊥′ Er + ε′⊥′ Eϕ + ε′||′ Ez + g ′′(Eϕ Er* − Er Eϕ* ) dr ,∫4 0(1.11)где Eϕ , Er , Ez азимутальная, радиальная и продольная компоненты ВЧ электрическогополя в плазме, ε′⊥′ , ε′||′ , g ′′ – мнимые части компонентов тензора диэлектрическойпроницаемости плазмы. В работе [37] отмечено, что в случае индуктивного разряда ВЧэлектрические поля пропорциональны току, текущему в антенне, поэтому уравнение(1.11) может быть представлено в виде:Ppl = R pl I 2 ,(1.12)где I – значение текущего по антенне тока.

Коэффициент пропорциональности Rpl междувложенной мощностью и квадратом тока через антенну, имеющий размерностьсопротивления, в работах [37–44] был назван эквивалентным сопротивлением плазмы поаналогии с выражением (1.9).В работе [37] эквивалентное сопротивление плазмы Rpl определено, как «мераспособности плазмы поглощать ВЧ мощность», и отмечено, что его величина зависит как29от закономерностей проникновения полей в плазму, так и от механизма поглощения ВЧмощности плазмой.В работах [1, 45] рассмотрен столкновительный механизм поглощения ВЧмощности. При этом поглощение ВЧ мощности плазмой происходит главным образом засчет ускорения электронов ВЧ полями с последующей хаотизацией их скорости врезультате столкновений с тяжелыми частицами.

Характеристики

Список файлов диссертации