Диссертация (1103131), страница 12

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

Текст из файла (страница 12)

Неоднородность СВЧ разрядов вызвана рядом причин, таких как скинирование,плазменный резонанс, а также конструктивными особенностями узла ввода энергии вплазму. Одним из представителей неоднородных разрядов является электродный СВЧ(микроволновый) разряд (ЭМР), существующий в окрестности электрода-антенны,помещенной в металлическую разрядную камеру больших размеров при пониженныхдавлениях (см. главу 1 и [17, 119, 120]). В [96] было показано, что добавление 1-5 об.%аргона к азоту приводит к изменению всех параметров плазмы: к уменьшениюэнерговклада, уменьшению интенсивностей излучения полос азота.

Следовательно, в этомслучае метод актинометрии не может применяться. Объяснение эффекта было полученометодом 2D моделирования, которое показало, что введение аргона приводит кизменению слоя пространственного заряда у поверхности антенны и, как следствие, куменьшению потока ионов на ее поверхность. Таким образом, уменьшается гибельзаряженных частиц и, следовательно, требуется уменьшение напряженности СВЧ полядля выполнения условия равенства скоростей процессов рождения и гибели заряженныхчастиц.В этой главе на основе экспериментов и 2D самосогласованного моделированияисследовано влияние малых добавок аргона на сильно неоднородный электродныймикроволновый разряд пониженного давления в водороде.

СВЧ разряды в водороде(основной газ) широко используются для решения задач, связанных с ростом алмазов иалмозоподобных покрытий.§ 4.2. Экспериментальная частьЗдесь кратно описана схема установке, детально описанной в Главе 2 и [17, 119, 120],результаты измерений на которой использовались в сравнении с результатами расчетов.Здесь возможно некоторое повторение Главы 2, но это представляется целесообразным67для целостного представления материала этой главы. Заметим, что такая же схемаизмерений использовалась и в Главе 5, где это повторяться не будет.Разрядная камера представляет собой металлический цилиндр из нержавеющей сталидиаметром 15 см. С торца верхней части разрядной камеры через вакуумный переходвводитсяэлектрод-антенна,меднаяцилиндрическаятрубкадиаметром5мм.Электромагнитная волна с мощностью до 180 Вт и частотой 2.45 ГГц в режименепрерывной генерации вводилась в разрядную камеру с помощью коаксиальноволноводного перехода.

СВЧ-тракт включал в себя циркулятор, измерительную линию иизмеритель падающей мощности Pin.Камера снабжена окнами для наблюдения разряда. ЭМР зажигался у концаэлектрода-антенны.Светящаясяобластьразрядапредставляетсобойрадиально-симметричную структуру с яркой приэлектродной областью и шаровой внешней областьюс резкой границей. Шаровая область окружена темным пространством, простирающимсявплоть до стенки разрядной камеры. Область, занимаемая светящейся плазмой, многоменьше объема камеры.

Эмиссионные спектры ЭМР в диапазоне 200-700 нмрегистрировались спектрометром AvaS ec-2048 со спектральным разрешением 10 Å.Кварцевый конденсор проецировал изображение осевой области плазмы в плоскостирасположения входной апертуры подвижного световода. Световод перемещался вдольнаправления совпадающего с осью электрода с пространственным разрешением не хуже0.10 мм.

Таким образом, регистрировалось аксиальное распределение интенсивностейлиний и полос излучения разряда. Схема оптических измерений показана на рис. 4.1, агеометрия разрядной камеры ясна из рис. 2.2Исследование проводилось в проточной системе. Напуск водорода и аргонаосуществлялся через канал в крышке камеры. Он контролировался и управлялсярасходомерами. Поддержание полного давления при изменении расхода аргонаосуществлялась регулируемым клапаном, включенным в систему автоматическогоуправления.68Рис. 4.1. Схема спектральных измерений.

1 – электрод/антенна, 2 – плазма, 3 – линза, 4 –коллиматор, 5 – световод, 6 – спектрограф AvaSpec-2048.Эксперименты проводились при давлении 1 Тор, расходе азота 50 см3/мин принормальных условиях, соотношение расхода аргона fAr и водорода fH2 (fAr/fH2) изменялось вот 0 до 0.05, падающая СВЧ мощность была 90 Вт.§ 4.3. МодельИспользованная в работе самосогласованная модель ЭМР аналогична описанной вГлаве 2. Она включала в себя уравнения Максвелла для СВЧ поля, уравнение Больцманадля функции распределения электронов по энергии, записанное в двухчленномприближении, стационарные балансные уравнения для заряженных и нейтральных частици уравнение Пуассона. Для заряженных частиц использовано диффузионно-дрейфовоеприближение.Модель дополнена кинетической схемой процессов с участием атомов аргона восновном, метастабильном и резонансном состоянии и ионов Ar+ и ArH+.

В модели,следуя [60] четыре нижних возбужденных состояний аргона (два метастабильных и дварезонансныхсостояния)метастабильным(Ar(M))представлялисьиобъединеннымдвумясостояниями:резонансным(Ar(R))Учитываемые в модели процессы с участием аргона показаны в Табл. 4.1.объединеннымсостояниями.69Таблица 4.1Процессы с участием атомов и ионов аргона, учитываемые в моделиNo.k(см3с-1); Ai (с-1);ПроцессСсылкиВозбуждение и девозбуждение атомов Ar1Ar + e  Ar(M) + ef(E)[166]2Ar + e  Ar(R) + ef(E)[166]Прямая, ступенчатая и химическая ионизация3Ar + e → Ar+ + 2ef(E)[107]4Ar(M) + e  Ar+ + e + ef(E)[167, 168]5Ar(R) + e  Ar+ + e + ef(E)[167, 168]6Ar(M) + Ar(M)  Ar+ + Ar + e1.210-9[60]7Ar(M) + Ar(R)  Ar+ + Ar + e2.110-9[60]Перемешивание электронным ударом8Ar(M) + e  Ar(R) + e2.3510-7[60, 169]9Ar(R) + e  Ar(M) + e3.110-7[60, 169]Диссоциативная рекомбинация10e + ArH+ → H + Ar1 * 10-10[170]11Ar(R)  Ar + h1,19* 108[109]Ионно-молекулярные реакции12H2+ + Ar →13H3+ + Ar →14H2 + Ar+ →2+ ArH+2,3 * 10-12[170]+ ArH+1 * 10-14[109]+ ArH+7,4* 10-12[109]7015H2 + Ar+ →16H2 + ArH+ →17H2+ + Ar →+2+ Ar+32+ Ar+ Ar+2,1 * 10-13[170]1,5 * 10-12[170]2,2 * 10-13[170]f (E) – функция распределения электронов по энергиям, вычисленная из уравненияБольцмана, зависящая от СВЧ поля, E – напряженность СВЧ поля.Использовались следующие граничные условия:- на стенках разрядной трубки концентрации всех частиц кроме атома Н, а такжевеличина потенциала φ, полагались равными нулю.- концентрация атома Н в основном состоянии на стенках рассчитываласьизсоотношения,где γ - вероятность рекомбинации атома Н на стенке реактора, в расчетах ее значениеварьировалась от 10-4 до 10-2 [171], а-тепловая скорость атома Н.Моделирование проводится при помощи программы Com ol 3.5a, использующейметод конечных элементов.

Использовалась неравномерная треугольная сетка, размеркоторой вблизи электрода не превышал 100 микрон.Расчеты велись на 12 ядерномсервере на базе процессора «Xeon».§ 4.4. Результаты и обсуждениеРезультаты двумерного моделирования, содержащие распределения параметровплазмы, получены при различных уровнях добавки аргона, которая менялась от 0% до 5%при постоянном значении падающей мощности 60 Вт, и при различных значенияхпадающей мощности (30 – 60 Вт) при постоянном уровне добавки аргона 5%. На рис. 4.2 –4.7 приведены двумерные распределения концентрации электронов, СВЧ поля и атомовводородавсостоянии3s3p3d,соответствующиераспределенияминтенсивностиизлучения линии H. На рис.

4.2 и 4.3 чёрным контуром показана линия уровня,соответствующая критическому значению концентрации электронов (nc = 7*1010 см-3).Расчёт, приведённый на рис. 4.3, показывает небольшое (на 2%) увеличение71максимального значения концентрации электронов при повышении уровня добавкиаргона от 0% до 5%, а также незначительное уменьшение объёма закритической плазмы.Рисунок 4.4 показывает увеличение максимальной плотности плазмы на 8%, а такжеувеличение объёма закритической плазмы.На рисунках 4.4, 4.5 показано изменение распределения СВЧ полей. Видно, чтоповышение уровня добавки аргона приводит к уменьшению значений СВЧ поля, аповышение значения падающей мощности, наоборот, к увеличению.

Характер измененияраспределения концентрации атомарного водорода в состоянии 3s3p3d, приведённых нарис. 4.6, 4.7, подобен характеру изменения СВЧ поля. Это обусловлено тем, чтовозбуждение атомарного водорода до состояния 3s3p3d происходит в этих областяхразряда преимущественно за счёт процесса диссоциативного возбуждения (процесс 4 втабл. 2.1), скорость которого зависит от концентрации электронов, изменение которой приизменении уровня добавки аргона пренебрежимо мало, а также от величины СВЧ поля,определяющего баланс заряженных частиц в плазме. Заметим, что преобладание процессадиссоциативного возбуждения над ступенчатым возбуждением (процесс 2 в табл. 2.1)наблюдается только в приэлектродной области, где напряженность СВЧ поля велика.

Вовсех остальных областях разряда преобладает процесс ступенчатого возбуждения.Рис.4.2. Двумерные распределения рассчитанных концентраций электронов, нормированных на критическое значение в ЭМР приразных уровнях добавки аргона при полном давлении 1 Тор и падающей мощности 60 Вт. а) чистый водород, максимальноезначение 2.061, поглощённая мощность 55.89 Вт; б) уровень добавки аргона 3%, максимальное значение 2.09, поглощённаямощность 56.43 Вт; в) уровень добавки аргона 6%, максимальное значение 2.106, поглощённая мощность 56.44 Вт.72Рис..4.3. Двумерные распределения рассчитанных концентраций электронов, нормированных на критическое значение в ЭМР приразных падающих мощностях при полном давлении 1 Тор и уровне добавки аргона 5%.

а) падающая мощность 30 Вт,максимальное значение 1.95, поглощённая мощность 27.71 Вт; б) падающая мощность 45 Вт, максимальное значение 2.058,поглощённая мощность 42.36 Вт; в) падающая мощность 60 Вт, максимальное значение 2.106, поглощённая мощность 56.44 Вт.73Рис.4.4. Двумерные распределения рассчитанных СВЧ полей при разных уровнях добавки аргона при полном давлении 1 Тор ипадающей мощности 60 Вт. а) чистый водород, максимальное значение 1754.217 В/см; б) уровень добавки аргона 3%,максимальное значение 1589.873 В/см; в) уровень добавки аргона 6%, 1496.981 В/см.74Рис.4.5. Двумерные распределения рассчитанных СВЧ полей при разных падающих мощностях при полном давлении 1 Тор иуровне добавки аргона 5%.

Характеристики

Список файлов диссертации