Влияние емкостной составляющей на энерговклад в индуктивный ВЧ разряд низкого давления (1102541), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Изменение плотности плазмы и энергетическогораспределения электронов приводят к изменению эквивалентного сопротивления плазмы, чтодолжно проявляться в изменении доли мощности, поступающей в разряд через индуктивныйканал. Действительно, измерения показали, что в переходных областях величины тока, текущегочерез антенну, отличаются от полученных в чисто индуктивном разряде. Это указывает на влияниеемкостной составляющей разряда на величину мощности, поступающую в разряд черезиндуктивный канал.Существенное влияние емкостной составляющей на свойства индуктивного разряда былозафиксировано при исследовании перехода разряда из моды с низкой плотностью плазмы (Емоды) в моду с высокой плотностью (Н-моду) при увеличении мощности ВЧ генератора припостоянном значении магнитного поля.

В случае если в разряд дополнительно вводится мощностьчерез независимыйканал происходит смещение области перехода разряда из моды с никойплотностью плазмы в моду с высокой плотностью в область меньших мощностей ВЧ генератора,питающего индуктор, увеличение величины мощности, вкладываемой в разряд через индуктивныйканал, а также исчезновение гистерезиса (см. рис.4). Как отмечалось выше, появление емкостногоканала ввода мощности, а, следовательно, быстрых электронов в разряде сопровождается ростомплотности плазмы.

Это приводит к росту эквивалентного сопротивления плазмы и исчезновениюгистерезиса.Рис.5. Зависимость тока пучка ионов отвеличины магнитного поля. 1 кривая –независимыйемкостнойканал(треугольники вершиной вверх и вниз–мощность ВЧ генератора, питающегоемкостной канал, равна 60 и 200Втсоответственно). 2 кривая - чистоиндуктивный разряд. Зеленые звездочки– гибридный разряд.

Источник ионоврадиуса 5см и длины 10см, аргон,расход 10sccm.В заключение обзора экспериментальных результатов показано, что при рассмотренныхусловиях экспериментов влияние независимого емкостного канала на интенсивность свеченияразряда при его горении в Н-моде мало.Для того чтобы разобраться в физических причинах обнаруженных закономерностей в работевыполнено математическое моделирование индуктивного ВЧ разряда с независимой емкостнойкомпонентой.

Прежде всего, в диссертации была обобщена ранее разработанная на кафедрефизической электронике самосогласованная модель ВЧ индуктивного разряда на случай разряда снезависимой емкостной компоненты. Основное отличие системы уравнений, описывающей разрядс емкостной компонентой от системы уравнений баланса для индуктивного разряда, кроется вуравнении баланса мощности, фиксирующем равенство мощности, вложенной в разряд, суммепотерь. Последние определяются уносом мощности на стенки газоразрядной камеры источникаплазмы ионами и электронами, а также потерями на ионизацию и излучение в объеме источника.При наличии независимого емкостного канала вблизи обкладок конденсатора формируются слоипространственного заряда, в котором происходит падение квазистационарного потенциала Vs.

Этоприводит к увеличению мощности, выносимой ионами на стенки. Кроме того, в случаеиндуктивного разряда с независимой емкостной компонентой мощность, поглощаемая плазмой,складывается из мощности, вложенной через индуктивный Pplind и емкостной каналы Pplcap.Результатыкомпонентой,математическогопозволилимоделированияпрояснитьфизическиеразрядапричиныснезависимойэффектов,емкостнойнаблюдавшихсяэкспериментально.Расчеты показали (см. рис.6), что мощность, вкладываемая через индуктивный канал,зависит от величины мощности, вкладываемой через емкостной канал.

При небольших значенияхindcapPGen, затеммощность, вкладываемая через индуктивный канал P ind , растет с ростом PGenприближается к значениям, имеющим место при отсутствии емкостной составляющей, и, наконец,становится меньше, чем в чисто емкостном разряде. Уменьшение мощности Pind в области высокихPindcapзначений PGenтем сильнее, чем выше PGen2500ВЧ мощность (Вт)2000231500100015000050010001500200025003000Рис.6. Зависимость полной вложеннойв плазму мощности от мощности«индуктивного» ВЧ генератора вчисто индуктивном разряде (кривая 1)и в разряде с независимой емкостнойкомпонентой (кривая 2). Pcap =500Вт.Кривая3–долямощности,поступающейвразрядчерезиндуктивный канал.PGen (Вт)indФизическая причина указанного выше характера влияния емкостного канала на долюмощности, поступающую в плазму через индуктивный канал, состоит в немонотоннойзависимости эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электронов.

Вводдополнительной мощности через независимый канал приводит к увеличению плотности плазмы иизменению эквивалентного сопротивления плазмы. Если результирующая плотность плазмы нижевеличины, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума, происходитувеличение эквивалентного сопротивления и доли мощности, поступающей в плазму черезиндуктивный канал.Это объясняет наблюдавшееся экспериментально смещение положенияперехода разряда из моды с никой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью иисчезновении гистерезиса. Увеличение за счет вклада мощности через емкостной каналконцентрации электронов выше величины, при которой эквивалентное сопротивление достигаетмаксимума, приводит к уменьшению вклада ВЧ мощности в плазму через индуктивный канал.

Всвязи с этим физически не оправдано принятое в литературе сопоставление мод индуктивного ВЧразряда с низкой и высокой концентрацией электронов с модами, поддерживаемыми толькопотенциальными и только вихревыми ВЧ полями.Основные результаты и выводы1.Экспериментально показано, что при наличии потерь мощности во внешней цепииндуктивного ВЧ разряда при давлениях менее 10мТор существует немонотоннаязависимость концентрации электронов от величины внешнего магнитного поля. При работе сторцевой антенной зафиксированы срывы разряда при достижении критического значениямагнитного поля.

Показано, что величина критического магнитного поля зависит отсопротивления антенны (величины потерь мощности во внешней цепи), давления и мощностиВЧ генератора.2.На основании математического моделирования разряда, использующего уравнения балансаионов, электронов, тяжелых нейтральных частиц, мощности и условие квазинейтральности,показано,чтоуказанныеэффектыявляютсяследствиемсамосогласованногоперераспределения мощности между активным сопротивлением внешней цепи и плазмой,связанного с изменением ее способностипоглощать ВЧ мощность.

Последняяхарактеризуется эквивалентным сопротивлением плазмы. Немонотонный характер измененияэквивалентного сопротивления с увеличением магнитного поля определяется существованиемрезонансов возбуждения связанных между собой геликоноподобной и косой ленгмюровской волн.Выход из условия резонанса сопровождается резким понижением эквивалентного сопротивленияплазмы, доли мощности, поступающей в плазму.

Последнее может приводить к срыву разряда.3.Впервые экспериментально показано, что увеличение сопротивления антенны (потерьмощности во внешней цепи) приводит к появлению гистерезиса зависимости интенсивностисвечения плазмы, зондового ионного тока насыщения от величины мощности ВЧ генератора.Показано, что в области гистерезиса при одной и той же мощности ВЧ генераторасуществуют по крайней мере две моды разряда: в моде снизкой концентрацией электроновосновная доля мощности выделяется в антенне, а в моде с высокой концентрацией – в плазме.Наложение внешнего магнитного поля (более 1мТл) на индуктивный ВЧ разряд низкогодавления способствует появлению гистерезиса зависимости интенсивности свечения плазмы,зондового ионного тока насыщения от величины мощности ВЧ генератора и индукциивнешнего магнитного поля.

Экспериментальные результаты находятся в качественномсогласии с результатами математического моделирования, которые указывают на появлениегистерезиса при условиях нелинейной зависимости эквивалентного сопротивления плазмы отконцентрации электронов и его малости по сравнению с сопротивлением антенны.4.Впервые экспериментально исследовано влияние емкостной составляющей на величину ВЧмощности, поступающей в плазму через индуктивный канал. Обнаружено, что при наличиинезависимого емкостного канала ввода мощности происходит изменение доли мощности,поступающей в плазму через индуктивный канал.

Это проявляется в смещении положенияперехода разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, вболее плавной зависимости параметров плазмы от мощности ВЧ генератора в переходноймоде,исчезновении гистерезиса, сглаживании зависимости ионного тока от магнитногополя.5.Впервые выполнено математическое моделирование индуктивного ВЧ разряда с независимойемкостной компонентой, которое показало, что наличие дополнительного канала вводамощности, сопровождающееся к росту концентрации электронов выше величины,характерной для чисто индуктивного разряда, приводит к увеличению вклада ВЧ мощностичерез индуктивный канал при условии, что плотность плазмы ниже величины, при которойэквивалентное сопротивление достигает максимума. Это является физической причинойнаблюдавшегося экспериментально смещения положения перехода разряда из моды с низкойплотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавного перехода из моды разрядас низкой плотностью в моду с высокой плотностью и исчезновения гистерезиса.

Увеличениеза счет вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов выше величины,при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума, приводит к уменьшениювклада ВЧ мощности через индуктивный канал.Список публикаций по теме диссертации.1. A.F.Alexandrov, G.E.Bougrov ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, V.J. Plaksin,A.A.

Rukhadze, K.V. Vavilin. The Inductive Discharge Plasma Parameters Calculation in Conditions ofExternal Magnetic Field. Proceedings of the 30-th International (Zvenigorod) Conference of PlasmaPhysics and Controlled Fusion. Zvenigorod, Russia, February 24-28, 2003. Contributed papers, T3.2. A.F.Alexandrov, G.E.Bougrov ,I.K.

Характеристики

Список файлов диссертации