Исследование процессов в плазме высокочастотных емкостных разрядов низкого давления, возбуждаемых на одной и двух частотах (1103208), страница 3
Текст из файла (страница 3)
раздел 1.1). Было показано, что переход отрежима с низкой характеристической энергией к режиму с высокой характеристическойэнергией электронов происходит при разных значениях приведенного электрического поля взависимости от используемого набора сечений. Наибольшие отличия от экспериментальных11данных в рассчитанных транспортных коэффициентах, а также переход от режима с низкойэнергией электронов к режиму с высокой энергией электронов происходят в областиприведенныхэлектрическихдифференциальнойполей,проводимости.соответствующейДанныйэффектобластиобусловленотрицательнойналичиембольшихколебательных сечений в области Рамзауэровского минимума транспортного сечения.
Какпоказалипроведенныетестовыерасчеты,значениетранспортныхкоэффициентовоказывается очень чувствительным к значениям сечений колебательного возбуждения. Как ив случае молекулы CHF3, большие колебательные сечения являются значительным каналомнеупругих потерь и определяют вид ФРЭЭ при не слишком высоких значениях E/N илиэнергии электронов.Результаты второй главы опубликованы в работах [A1, A3, A7, A8, A18, A20].В третьей главе представлены результаты самосогласованного моделированияодночастотного разряда в аргоне, возбуждаемого на низкой частоте 1,76 МГц и на высокойчастоте 27 МГц и 81 МГц.В разделе 3.1 на основе расчетов по самосогласованной модели МЧЯ МК приведенообъяснение экспериментальной несинусоидальной формы разрядного тока в низкочастотномсимметричном разряде. На рисунке 4 представлена экспериментальная осциллограммаразрядного тока и напряжения в зависимости от времени.
Гладкая синусоидальная кривая нарисунке соответствует измеренному напряжению на электродах. Ток в разряде представленкривой, близкой к треугольной.Показано, что наблюдаемый эффект связан с динамическими процессами вприэлектродном слое в разряде на низкой частоте, когда время движении ионов в слое τionсоотносится с периодом электрического поля τRF как τion /τRF <<1, а Бомовское времяτB =sm<< τ RF (sm – характерная ширина слоя, Те – температура электронов, М - массаTe / Mиона).
Бомовское время описывает характерный временной промежуток, необходимыйионному потоку из области квазинейтральной плазмы для поддержания профиляконцентрации ионов в приэлектродном слое.На рисунке 5 показано движение границы слоя в течение одного периода изсамосогласованного моделирования.
В данном динамическом случае слой движется кэлектроду в 3 раза быстрее, чем от него. В результате такого движения границы слояэлектронный ток на электрод приобретает несинусоидальную (практически треугольную)форму, которая отчетливо видна на рисунке 5.
Доля тока проводимости в полном токе вобласти слоя становится выше с понижением частоты приложенного напряжения. При12частоте 1,76 МГц электронный ток в определенные фазы НЧ периода (когда плазмаприжимается к электроду) становится равным максимальному полному току в разряде.Поэтому в данном динамическом случае разрядный ток принимает несинусоидальную,близкую к треугольной форму.
Показано, что в отличие от рассмотренных в литературережимов квазистационарного слоя, в динамическом режиме ионы значительную частьпериода двигаются со звуковой (vi∼vb = кТ е / М ion ) скоростью.Рис. 4. Экспериментальная осциллограмматока и напряжения. 1,76 МГц, 60 Вт, 45 мТорРис. 5. Движение границы слоя в НЧдинамическом режиме(показан один период)Также в данном разделе представлен ряд динамических эффектов, характерных дляразрядов возбуждаемых на низкой частоте: модуляция ФРЭЭ, режим горения разряда безобласти стационарной квазинейтральной плазмы.Раздел 3.2 посвящен исследованию влияния процессов на поверхности электрода сучастием потока заряженных частиц на структуру разряда.
В одночастотном разряде начастоте 1,76 МГц, а также в двухчастотном разряде 1,76 МГц – 81 МГц амплитуданапряжение на низкой частоте может достигать значений порядка 1700 В. При такихпадениях напряжения на приэлектродном слое следует уделить особое внимание учетувторичной электронной эмиссии от падающих на электрод частиц.С целью определения влияния различных подходов в описании процессов вторичнойэлектронной эмиссии (ВЭЭ) на структуру разряда была проведена серия расчетовнизкочастотного разряда 1,76 МГц с постоянным коэффициентом γ = 0,1 и с учетомзависимости γот энергии иона γ = γ ( E ) . По результатам расчетов учет зависимостиγ = γ ( E ) приводит к росту концентрации электронов, уширению области квазинейтральнойплазмы, росту средней энергии электронов, уменьшению напряжения на электроде при13заданной мощности.В диапазоне исследуемых параметров доля ВЭЭ в низкочастотном разряде на частоте1,76 МГц от разных источников располагается примерно следующим образом: 46 % - отпотока быстрых атомов Ar, 37 % - от потока ионов Ar+, 12 % - от метастабильных атомовAr*, 5 % - от резонансного излучения.
Таким образом, основной вклад во вторичнуюэлектронную эмиссию в разряде в аргоне вносят процессы взаимодействия быстрых атомов иионов с электродами. Однако для полного описания взаимодействия плазмы с поверхностьюэлектродов необходимо также учитывать процессы, связанные с потоком электронов наэлектрод.Проведенные расчеты показали, что выбор полной модели отражения электронов ирождения истинно вторичных электронов (далее для краткости вторичная электронэлектронная эмиссия - ВЭЭЭ) должен быть хорошо физически обоснованным, так какданные процессы оказывают большое влияние на разряд в целом.Необходимость учета процессов отражения электронов в исследуемых условияхпроиллюстрированасравнениемэкспериментальныхданныхпопространственно-временному распределению функции возбуждения состояния Ar (2p1) с результатамирасчетов по самосогласованной модели.
Показано, что только с учетом ВЭЭЭ возможнообъяснение пространственно-временных профилей функции возбуждения. Учет ВЭЭЭувеличивает долю периода, в которой происходит возбуждение состояния Ar (2p1), а такжевызывает возбуждение состояния Ar (2p1) вблизи электрода, что более соответствуетэкспериментальным данным.В разделе 3.3 приведены основные различия в параметрах одночастотного разряда нанизкой и высокой частоте. Продемонстрировано изменение динамики нагрева электроновпри увеличении частоты разряда: от нагрева в приэлектродных слоях в низкочастотномразряде к нагреву на границе плазмы и слоя в высокочастотном разряде (смотри рисунок 6).Показаныизмененияпараметровразряда:ширинаприэлектродныхслоев,концентрация плазмы, напряжение на электроде, ФРЭЭ при переходе от низкой частоты 1,76МГц к высокой частоте 81 МГц.Результаты третьей главы опубликованы в работах [A6, A21].Вчетвертойглавепредставленырезультатыисследованиядвухчастотногоемкостного разряда в аргоне.
Интерес к использованию двухчастотных разрядов вызванвозможностью более гибкого контроля над параметрами плазмы.14Рис. 6. Мощность, вкладываемая в электроныРазряд 1,76 МГц, давление 45 мТор,Разряд 27 МГц, давление 20 мТор, амплитудамощность 60Втнапряжения 100 ВКак было впервые показано экспериментально в нашей группе [А2], добавление дажемалой мощности на низкой частоте приводит к изменению формы функции распределенияионов по энергии с моноэнергитичной в высокочастотном случае на бимодальную вдвухчастотном случае (см. рис. 7).
Такое изменение спектра ионов связано и изменениемдинамики приэлектродных слоев.Рис. 7. Экспериментальные результаты измерения ФРИЭДЧ разряд 1,76 - 81 МГц, давление 20 мТор,ВЧ Разряд 81 МГц, давление 20 мТор,мощность на высокой частоте 5, 10, 20 Вт,вложенная мощность 10, 20 и 30 Втмощность на низкой частоте ∼ 1 ВтВ разделе 4.1 впервые представлен аналитический расчет ФРИЭ в двухчастотномразряде для промежуточного частотного диапазона ( ω l << ω i << ω h ) [A4].
Данный режимтипичен для многих технологических приложений ДЧ разряда.15Получено выражение для минимальной и максимальной энергии ионов в функциираспределения ионов по энергии на электроде в ДЧ разряде:3ε imin = α h 2eV0 ,8где α l =3ε imax = α h 2 + αhαl + αl 2 eV0 ,8(5)VlVh, αh =, параметры, определяющие долю напряжения на каждой изVl + VhVl + Vhчастот.Аналитическое выражение для ширины спектра:∆ε = ε imax − ε imin = eVl(6)На рисунке 4.5 изображена зависимость ФРИЭ от параметра α l .Рис.
8. Аналитический вид ФРИЭ вдвухчастотном ВЧ разряде в промежуточномслучае. По оси x отложено нормированноезначение энергии ионов ε i eV0 . Наборграфиков приведен для ряда значенийпараметра αl в диапазоне от 0 до 1.Рис. 9. Сравнение результатов МЧЯ МКмоделирования ФРИЭ в ДЧ разряде срезультатами полуаналитическогомоделирования, сделанного с учетомкоррекции скоростей ионов при входе вслой. Напряжения Vh = 250 В; Vl = 100 В.Таким образом, для минимизации влияния высокой частоты на спектр ионовнеобходимо, чтобы амплитуда напряжения на низкой частоте была значительно большеамплитуды напряжения на высокой частоте.
При таком режиме в масштабах ширины ФРИЭ(определяемой Vl) разница в положении первого максимума (определяемого Vh) приизменении мощности на высокой частоте становится менее существенной.Результаты аналитической теории находятся в хорошем согласии с даннымичисленного расчета ФРИЭ в двухчастотном разряде в рамках полуаналитического подхода(раздел 1.2), а также с данными, полученными методом МЧЯ МК.Показано, что полуаналитический расчет ФРИЭ с учетом амбиполярного потенциалаплазмы находятся в хорошем согласии с результатами МЧЯ МК.
Результат расчета16представлен на Рис. 4.9, где на одном графике приведены ФРИЭ полуаналитической моделии МЧЯ МК, полученные при значениях Vl = 100 В, Vh = 250 В. Как видно из рисунка,спектры практически совпадают.В разделе 4.2 приведен анализ экспериментальных данных ДЧ ВЧЕ разряда в аргоне,используемых при исследовании процессов на основе самосогласованного моделирования.На рисунке 10 показана плотность электронов в центре разрядного промежутка взависимости от вложенной мощности на низкой частоте при постоянной мощности,вкладываемойПредставленныенавысокойрезультатычастоте.Давлениепозволяютаргонаопределитьсоставлялопараметрыp = 20разряда,мТор.наиболееблагоприятные для контроля над концентрацией плазмы независимо от мощности на низкойчастоте: широко разнесенные частоты – 1,76 МГц и 81 МГц, давление газа p <= 45 мТор,соотношение напряжений и мощностей: Vl >> Vh, Pl~Ph.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
