Влияние емкостной составляющей на энерговклад в индуктивный ВЧ разряд низкого давления (1102541), страница 2
Текст из файла (страница 2)
На кафедре физической электроники физического факультета МГУ были выполненысистематические исследования зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от еепараметров и внешних параметров разряда при низких давлениях (10мТор и меньше). ПоглощениеВЧ мощности растет с ростом концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя,определяющая ширину области поглощения ВЧ мощности, убывает с ростомne.
Вследствие этогозависимость Rpl от концентрации электронов является немонотонной, т.е. способность плазмыпоглощать ВЧ мощность в области высоких ne убывает благодаря экранировке ВЧ полей. В областидавлений нейтрального газа порядка 10мТор вклад в поглощение ВЧ мощности вносят какстолкновительный, так и черенковский механизмы. Понижение давления приводит к усилению роличеренковского механизма поглощения ВЧ мощности.Наложение внешнего магнитного поля на плазму индуктивного ВЧ разряда может привести квозбуждению двух связанных между собой волн: геликона и косой ленгмюровской волны. При значенияхмагнитного поля, соответствующих областям резонансного возбуждения волн, ВЧ мощность эффективнопоглощается плазмой.
Это отражается в появлении локальных максимумов в зависимости эквивалентногосопротивления от величины внешнего магнитного поля. Увеличение плотности плазмы при фиксированноммагнитном поле приводит к понижению значений эквивалентного сопротивления в силу экранировки ВЧэлектрических полей при выходе плазмы из резонанса. В области резонанса при низких давленияхдоминирующим механизмом диссипации является черенковское поглощение квазипродольной косойленгмюровской волны.В индуктивном ВЧ разряде мощности генератора делится между двумя нагрузками:плазмой и антенной, обладающей активным сопротивлением Rant. При этом выражение длябаланса мощности во внешней цепи генератора принимает вид:PGen = PAnt + PPlPGen =1 2I (R Ant + RPl )2(3)(4)где I – ток, текущий через антенну, Rant – сопротивление антенны, а Rpl –эквивалнтноесопротивление плазмы.Обзор работ, посвященных исследованию эквивалентного сопротивления плазмы, показывает, чтоабсолютные значения Rpl при отсутствии магнитного поля и давлениях менее 10мТор не превосходят1.5Ом.
Наложение на разряд внешнего магнитного поля, величина которого соответствует областямрезонансного возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн, приводит к повышению эквивалентногосопротивления до 10-20Ом, однако, при отсутствии резонанса значения эквивалентного сопротивлениясущественно ниже. Обзор экспериментальных работ, посвященных исследованию эффективности ввода ВЧмощности в плазму индуктивного разряда, показывает, что эффективное сопротивление внешней цепи Rant,измеренное в различных постановках эксперимента, составляет величину 0.2-3Ом.
Таким образомоказывается, что ввести ВЧ мощность в плазму индуктивного ВЧ разряда без потерь практическиневозможно. Впервые на это указал В. Годяк в середине 90х годов ХХ века.Очевидно, что при условииRpl≤Rant(5)поведение индуктивного ВЧ разряда кардинально изменяется.
Параметры плазмы определяютсямощностью, вложенной в плазму Ppl. Однако, при выполнении неравенства (3) Ppl зависит нетолько от мощности ВЧ генератора, но и от величины эквивалентного сопротивления плазмы,которое в свою очередь зависит от параметров плазмы и условий ее поддержания. В работах А.Ф.Александрова и др. на основании математического моделирования были изучены режимыиндуктивного ВЧ разряда, для которых выполняется неравенство (3) и предсказано существованиеэффектов, связанных с перераспределением мощности между плазмой и внешней цепью разряда.Экспериментально указанные выше режимы разряда изучены не были.Известно, что в индуктивном ВЧ разряде существует канал ввода ВЧ мощности в плазму,связанный с наличием паразитных емкостей между витками антенны, а также между антенной иплазмой. В настоящее время в литературе принята точка зрения, что индуктивный разрядподжигается и горит при малых мощностях за счет потенциальных полей, существующих междувитками индуктора.
По мере роста мощности ВЧ генератора растет ток через антенну I, и подостижению I значений, необходимых для существования индуктивного режима, разряд переходитв моду, которая поддерживается вихревыми полями. Наличие паразитных емкостей междуантенной и плазмой сопровождается, во-первых, изменением тока, текущего через антенну, а, вовторых, изменением параметров плазмы, в свою очередь определяющих эквивалентноесопротивление плазмы и долю мощности, поступающую в плазму через индуктивный канал.Обзор литературы показал, что в настоящее время отсутствует анализ влияния емкостнойсоставляющей на свойства индуктивного ВЧ разряда и величину мощности, поступающей в разрядчерез индуктивный канал.В конце первой главы сформулирована цель диссертации.Вторая глава содержит описание условий экспериментов и методики измерений.При экспериментальных исследованиях использовались цилиндрические источники плазмы длинойот 5см до 20см и радиусом от 5см до 25см, закрытые с торцов диэлектрическими фланцами.
На внешнейдиэлектрической части поверхности источников располагались водоохлаждаемые антенны. С помощьюсистемы электромагнитов в источниках плазмы создавалось магнитное поле от 0 до 20мТл. Давлениеменялось в диапазоне от 0.5мТор до 100мТор.Для возбуждения и поддержания индуктивного ВЧ разряда в источниках плазмы применялисьторцевые (рис.1а) и боковые (рис.1б) спиральные антенны.Рис.1.
Типы использованных антенн.Для изучения влияния емкостной связи между антенной и плазмой на характеристикииндуктивного разряда на поверхности источников плазмы дополнительно к спирали размещалисьобкладки конденсатора (см. рис.1с). Рассматривалось два случая – расположение обкладок навнешней и внутренней поверхности источника плазмы. Наличие обкладок конденсатора наповерхности источника плазмы позволяло организовать контролируемый емкостной канал вводамощности так, что индуктивная связь между антенной и плазмой оставалась неизменной.Для возбуждения и поддержания чисто индуктивного разряда в источниках плазмы концыантенны через систему согласования и измеритель мощности подключались к ВЧ генератору срабочей частотой 13.56МГц.Для изучения роли емкостной составляющей в первой серии экспериментов обкладкиконденсатора, расположенные на поверхности источника плазмы, через отдельную системусогласования подключались ко второму ВЧ генератору, мощность которого можно было изменятьнезависимо от генератора, питающего индуктор.
В ряде экспериментов при расположенииобкладок конденсатора внутри разряда они подключались к источнику постоянного тока.Во второй серии экспериментов для моделирования реального индуктивного ВЧ разряда,обладающего емкостной компонентой (далее гибридного ВЧ разряда), индуктор и конденсатор,соединенные параллельно, подключались к одному ВЧ генератору. Для того чтобы индуктор незамыкал «емкостную» цепь по постоянному току, между концами антенны и выводами,подключенными к обкладкам конденсатора, включались конденсаторы с емкостью 300пФ.
Впроцессе экспериментов измерялись токи, текущие через антенну и конденсатор, а такженапряжение на выходе из системы согласования. Мгновенные значения токов и напряжений,измеренные в «емкостной» цепи, интегрировались по времени для расчета мощности, выделяемойв емкостном канале Pc.
Полная мощность, выделяемая в плазме в случае чисто индуктивного игибридного разрядов, определялась как разница между выходной мощностью ВЧ генератора ипотерями мощности во внешней цепи.В заключение главы описаны применявшиеся в работе методики измерений внешних ивнутренних параметров разряда: метод зондов Ленгмюра, методика измерения пространственногораспределения концентрации плазмы и эффективной температуры электронов по отношениюинтенсивности спектральных линий, методика измерения ВЧ токов «поясом Роговского».В третьей главе диссертации экспериментально изучено влияние потерь мощности вовнешней цепи разряда на параметры индуктивного ВЧ разряда. При проведении экспериментовиспользовалисьантеннысэффективнымсопротивлениемэкспериментах, как правило, выполненялось неравенство Rpl≤Rant.1–4Ома.Такимобразом,вЦель первой серии экспериментов состояла в выявлении особенностей поведенияиндуктивного ВЧ разряда как целого при изменении величины внешнего магнитного поля.
Дляэтого измерялись зависимости зондового ионного тока насыщения ip, и/или интенсивности Intинтегрального свечения плазмы от величины магнитного поля B при фиксированной мощности ВЧгенератора и от мощности ВЧ генератора Pgen при фиксированных значениях магнитного поля B.Эксперименты показали, что при давлениях газа менее 10мТор, зависимости ip и Int отвеличины внешнего магнитного поля, полученные в источниках плазмы разного размера,оснащенных спиральными антеннами, расположенными на их боковой или торцевой поверхности,имеют общую закономерность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
