Диссертация (1103131), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

а) Система со щелевыми антеннами (SLAN-system), б) система соштыревыми антеннами.е) СВЧ-разряды в волновых пучках.Уникальные возможности СВЧ энергии для получения плазмы ярко проявляютсяпри генерации плазмы в волновых пучках. С помощью квазиоптических систем,получаются сходящиеся волновые пучки, и в области максимального поля возникаетСВЧ-разряд.

Разряды могут создаваться в пересекающихся пучках. Плазма можетсуществовать в объемах, не ограниченных стенками (свободно локализованные разряды),например, в атмосфере Земли.19ж) Инициированные СВЧ-разряды и электродные СВЧ-разряды.Рассмотренные ранее генераторы плазмы реализуют возможности созданиябезэлектродных разрядов в СВЧ диапазоне волн. Это важно, поскольку, в принципе,позволяет получать плазму без источников ее загрязнения продуктами эрозии электродов.Однако в отношении СВЧ диапазона, как показали эксперименты, опасность загрязненияоказалась преувеличенной. В отличие от ВЧ разрядов, в слое пространственного заряда уСВЧ электрода отсутствуют значительные напряжения. Как следствие, отсутствуетинтенсивная ионная бомбардировка электрода и его распыление.

Роль вторичнойэлектронной эмиссии (-процессы) мала. Электрод осуществляет ввод энергии в плазму иопределяет структуру электромагнитного поля.Инициированные разряды - это разряды, которые не могут быть созданы при данномуровне СВЧ мощности без инициатора. Инициаторами могут быть дополнительныеэлектроды, твердые частицы в плазме, ионизирующие излучения и др. К этой группеотносятся электродные СВЧ-разряды.

Отличительной особенностью этой группы являетсямалая мощность, необходимая для поддержания разряда. Эти разряды позволяютполучать плазму в заданной точка пространства. В настоящее время механизм горенияразряда находится на стадии изучения. Один из примеров устройств такого типа показанна рис. 1.7.Рис.

1.7. Электродный СВЧ-разрядз) СВЧ-разряды с применением комбинаций полей СВЧ диапазона и других частот.Комбинированные разряды применяются тогда, когда необходимо:использовать положительные качества каждого из разрядов,20получить разряд при мощностях, недостаточных для существования самостоятельногоразряда,получить плазму с необходимыми свойствами (дополнительная возможностьуправленияпараметрами,расширениедиапазонапараметров,увеличениеконцентраций активных частиц, однородности, и т.д.),увеличить стабильность системы в целом.На рис.

1.8 показан двухчастотный (СВЧ+ВЧ) генератор плазмы которыйиспользуется для реализации процессов взаимодействия плазмы с поверхностямиобразцов. СВЧ-разряд создается с помощью замедляющей структуры в камере, в которуюпомещен ВЧ электрод. Соотношение СВЧ и ВЧ мощностей можно изменять. Такаясистема позволяет получать высокие концентрации активных частиц, что свойственноСВЧ-разряду, с транспортом их и интенсивной бомбардировкой поверхности, чтосвойственно ВЧ разряду.Рис.1.8. Двухчастотный (СВЧ+ВЧ) генератор плазмыи) СВЧ-разряды с внешними магнитными полями.Любая из рассмотренных выше систем может быть помещена в магнитное поле (рис.1.9), которое служит: для согласования СВЧ-тракта с разрядом,для создания режима электронно-циклотронного разряда (d),для ограничения размеров плазмы (защита стенок, диэлектрических окон отвоздействия плазмы, уменьшение потерь заряженных частиц на стенках, что ведет куменьшению электрического поля, необходимого для поддержания разряда),для обеспечения транспорта частиц плазмы (а),для создания анизотропии плазмы.21Рис.

1.9. Генераторы плазмы в СВЧ системах с внешними магнитными полями.Широкое распространение получили СВЧ-разряды в однородном магнитном поле синдукцией B0, соответствующей режиму электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) (f[Гц] = fce = 2.81010 B0[Тл]), которые горят при давлениях, меньших 10-3 Тор. В такихустройствах концентрация электронов обычно меньше критической концентрации.Неоднородные магнитные поля вызывают движение плазмы и транспорт частиц плазмы внаправлении уменьшения поля (a).

Использование мультипольного магнитного окруженияСВЧ-разрядов (c) позволяет создавать разнообразные устройства для полученияисточников однородной неравновесной для обработки поверхностей с площадью 3030см2 при давлениях  10-4 - 10-2 Тор.§ 1.2. Моделирование СВЧ разрядовПодходы к моделированию СВЧ разрядов, в принципе не отличаются от подходовк моделированию других типов электрических разрядов. Особенностью, по-видимому,является необходимость решения уравнений Максвелла в быстропеременных полях, чтозначительно усложняет процедуру. Общая схема самосогласованного моделирования СВЧразряда приведена на рис.1.10. Нужно отменить, что в такой общей постановкемоделирование обычно не проводится, а в зависимости от задач более детально22рассматриваются лишь отдельные блоки, а остальные включаются в упрощеннойпостановке.Рис.

1.10. Схема самосогласованного моделирования разрядов1.2.1. Блок кинетики электроновОснову моделирования неравновесной плазмы составляет описание электронов.Это связано с тем, что энергию от внешнего электромагнитного поля приобретают восновном электроны, которые в столкновениях с молекулами плазмообразующего газа,передают ее на различные степени свободы (рис.1.11)23.Рис. 1.11. Различные каналы передачи энергии от поля в плазмуСуществующие модели описания переноса электронов могут быть разделены натри типа: 1 – кинетические модели, основанные на использовании метода прямогостатистического моделирования Монте-Карло (МК), который может трактоваться какчисленное решение уравнения Больцмана [22-27]; 2 - жидкостные модели [28-30]; 3 гибридные модели [28-34].

Метод МК основан на представлении газа множествомдискретных частиц (каждая из которых представляет собой большое количество реальныхчастиц). Процесс счета делится на две фазы. Сначала частицы двигаются в фазовомпространстве под действием электрического поля, как постоянного, так и СВЧ. Времядвижения, определяемое с помощью датчика случайных чисел, не должно быть большевремени свободного пробега. В дальнейшем происходят процессы парного столкновениячастиц.

Для электронов учитываются процессы упругих и неупругих соударений. Обычнодля счета требуется знание полного набора дифференциальных сечений. Тип соударенийопределяется случайным образом с вероятностью, зависящей от сечения процесса.Макропараметры течения вычисляются осреднением параметров частиц за достаточнобольшое количество временных шагов. Партнеры по столкновению для каждой частицывыбираются только в пределах одной ячейки.

Временной шаг должен быть меньшевремени между столкновениями, размер ячейки должен быть меньше длины свободногопробега, число частиц в ячейке должно быть достаточно велико, чтобы вероятностьповторных столкновений (когда две частицы сталкиваются друг с другом два раза подряд,не столкнувшись с другими частицами) была мала. Модели, основанные на методе МК,позволяютнаиболееточнорассчитыватьпереноссамосогласованном поле, хотя требует много времени.заряженныхчастицв24Жидкостные модели это альтернатива кинетическим моделям, описанным выше. Вжидкостных моделях только макроскопические свойства определяются, т.е.

плотность,средняя скорость и средняя энергия. Соответствующие уравнения это уравнениенепрерывности, уравнение переноса импульса и переноса энергии. Эти уравненияполучаются как моменты уравнения Больцмана в пространстве скоростей и описываютизменение концентраций заряженных частиц, изменение их импульса и энергии. Однако вэти уравнения входят величины, не определяемые непосредственно через концентрациюзаряженных частиц, скорость и энергию. Например, константы процессов ионизации, ивозбуждения под электронным ударом, коэффициенты диффузии и подвижностиэлектронов. Последние величины могут быть получены из функции распределения поэнергиям для электронов, которые могут быть определены из уравнения Больцмана.Альтернативой решению уравнения Больцмана является задание определенного вида дляфункции распределения.

Раньше часто для функции распределения электронов по энергии(ФРЭЭ) использовалась функция Максвелла. Это хорошая аппроксимация для ФРЭЭ,когда условия разряда близки к термодинамическому равновесию, либо при степеняхионизации >10-3 ,т.е. когдаФРЭЭ в основном формируется за счет е-е соударений.Однако для СВЧ разрядов это условие обычно не осуществляется. Также раньшеиспользовалась аппроксимация ФРЭЭ в виде двух максвеллов [35,37]. Сейчас для расчетаФРЭЭ часто применяется однородное уравнение Больцмана, записанное в локальномдвучленном приближении [38,39].

В локальном приближении предполагается, что ФРЭЭ вданной точке и в данный момент времени соответствует однородному электрическомуполю со значением электрического поля равным значению в данной точке в данныймомент времени..Для численного решения такого уравнения Больцмана сейчас чаще всегоиспользуется программа BOLSIG+ [39,40].В этой программе уравнение для ФРЭЭпредставляется в виде конвекционно-диффузионного уравнения и решается численно спомощью экспоненциальной схемы, часто используемой для такого рода задач.

Характеристики

Список файлов диссертации