Автореферат (1105073), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Аксиальное распределение а) концентрации электронов, б) потенциалапространства и в) температуры электронов при условиях, когда не происходитформирование плазменного столбаВ четвертой главе приведены результаты экспериментального ичисленного исследования распределения продольной компоненты ВЧмагнитного поля Bz и тока Jz. Экспериментальные исследования аксиальногораспределения амплитуды и фазы Bz проводились для наиболее характерныхдля данной работы значений внешних условий – давления аргона 0.7 мТор,мощности ВЧ генератора 400 Вт и рабочих частот 2, 4 и 13.56 МГц.На рис.7 показаны аксиальные распределения амплитуды и фазыпродольной компоненты ВЧ магнитного поля, измеренные при различныхзначениях индукции внешнего магнитного поля при работе на частоте 2 МГц.2МГц, 400Вт, 0.7мТор0 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс10080Bz2МГц, 400Вт, 0.7мТор15014.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс100фаза Bz (градусы)1206040500-5020001020304050Z (см)-10001020304050Z (см)а)б)Рис.7.

Зависимость аксиального распределения: а) амплитуды и б) фазы Вz от величинывнешнего магнитного поля. 2 МГц, 400 Вт. Давление аргона 0.7 мТор.При отсутствии магнитного поля величина Bz очень мала. При значенияхвнешнего магнитного поля от 14 до 28.8 Гс Bz максимально в области антенныи монотонно спадает в сторону технологической камеры, однако фаза Bz15практически не изменяется.

Это позволяет сделать вывод, что волна висточнике плазмы при этих условиях не формируется. Увеличение внешнегомагнитного поля до значения в 43.2 Гс ведет к снижению амплитуды Bz вобласти ГРК и формированию фазового профиля Bz, соответствующегослучаю бегущей волны в области, расположенной между антенной и нижнимфланцем. Разность между фазами волны, измеренными у нижнего виткаантенны (z = 16 см) и нижнем фланцем, близка к 180.Результаты, полученные при увеличении рабочей частоты до 4 МГцприведены на рис.8.4000 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс800 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс300фаза Bz (градусы)1004МГц, 400Вт, 0.7мТорBz60402020010000010203040-100500Z (см)1020304050Z (см)а)б)Рис.8. Зависимость аксиального распределения а) амплитуды и б) фазы Вz от величинывнешнего магнитного поля.

4 МГц, 400 Вт. Давление аргона 0.7 мТор.При увеличении рабочей частоты до 4 МГц было обнаружено, что приотсутствии внешнего магнитного поля амплитуда Bz аналогично случаю 2МГц мала. Увеличение величины B до 14.4 Гс также приводит к увеличениюамплитуды Bz в области локализации антенны.

Однако при достижениизначений магнитного поля в 28.8 Гс ситуация кардинально меняется – вразряде начинает формироваться частично бегущая волна. Об этомсвидетельствует немонотонная пространственная структура поля Bz сналичием ярко выраженных максимумов и минимумов, а также характерныйпрофиль фазы.

Необходимо отметить, что изменение фазы вдоль осиисточника близко к 360о. Дальнейшее увеличение магнитного поля приводитк акцентированию характерных локальных максимумов и минимумовзависимости Bz(z), пока при магнитном поле 72 Гс не происходит срыв разряда.Увеличение рабочей частоты до 13.56 МГц приводит к формированиюдополнительных максимумов в аксиальном распределении амплитуды Вz(рис.9).Пространственная структура ВЧ магнитного поля волны на оси источниканачинает формироваться уже при достижении внешним магнитным полемзначения в 14 Гс.

Увеличение индукции внешнего поля более 14 Гс ведет кросту числа локальных максимумов и минимумов.16В целом, с ростом рабочей частоты ВЧ генератора с 2 до 13.56 МГцнаблюдается смещение границы начала формирования волновой структурыВЧ полей Вz в область меньших значений внешнего магнитного поля. Ксожалению, на рабочей частоте 13.56 МГц измерить фазу по причине крайнемалой временного сдвига между сигналом, поступающим с зонда и сигналомс основного пояса Роговского, не удалось.13.56МГц, 400Вт, 0.7мТор800 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс72 ГсBz604020001020304050Z (см)Рис.9.

Зависимость аксиального распределения амплитуды Вz от величины внешнегомагнитного поля. 13.56 МГц, 400 Вт.Для описания экспериментальных данных было построено две модели,описывающих распространение и отражение волн в источнике плазмы. Впервом случае, предполагалось, что профиль амплитуды волны, возникающийв источнике плазмы, определяется суперпозицией основной волны,возбуждаемой узлом ввода ВЧ мощности, и волнами, возникающими врезультате отражения основной волны от торцевых металлических фланцевисточника плазмы (3), во втором, - рассматривалась стационарная задача,учитывающая отражение от промежуточной области (4-5).(3)Az  Az0 (ekz eikz  rek (2 L z )eik (2 L z ) )где k = πn/L – волновой вектор, n – число длин полуволн, умещающихся надлине источника L, k – коэффициент затухания, r – коэффициент отражения.A1eik1z  B1e ik1z,(4)A2eik2 z  B2eik2 zгдеA1  1;A2 k1 1   e2 ik2 L22k1 A1;  k2 1   e2ik2L2 2k1 (1   e 2ik2 L2 )B1   1  A1;2 ik2 L22 ik2 L2)  k2 (1   e)  k1 (1   eB2   A2e 2ik2 L2 .17(5)nLЗдесь k1 и k2 – комплексные величины, реальная часть которых близка к, а величина мнимой части задает затухание в верхней и нижней камерах.При проведении расчетов предполагалось постоянство параметров разряда вгазоразрядной и технологической камерах.Соответствующие сравнения расчетов с использованием формул (3) и(4-5) с результатами эксперимента, приведены на рис.10 и 11 соответственно.Bz, 4МГц, 43Гс0,8Bzмодельэксперимент300фаза Bz (градусы)1,043Гс360модельэксперимент0,60,42401801200,2600,00010203040500102030Z (см)Z(см)а)б)4050Рис.10.

Сопоставление результатов эксперимента (точки) и численных расчетов(кривые) а) амплитуды и б) фазы Bz без учета отражения от градиента концентрации вобласти фланца В. 4 МГц, 43 Гс, 400 Вт.Bz , 4МГц, 43Гс400модельэкспериментфаза Bz (градусы)1,0Bz0,80,60,44МГц, 43Гсмодельэксперимент3002001000,200,0010203040500601020304050Z (см)Z (см)а)б)Рис.11. Сопоставление результатов эксперимента (точки) и численных расчетов(кривые) амплитуды и фазы Bz с учетом отражения от градиента концентрации вобласти фланца В.

4 МГц, 43 Гс, 400 Вт.Видно, что учет отражения от градиента концентрации в областисочленения камер ведет к значительному улучшению согласия результатоврасчетов с экспериментом. Поведение измеренной фазы B(z) для случаев 2 и 4МГц хорошо качественно и количественно совпадает с результатами счета.При этом разность фаз на торцах источника соответственно составляет 180,360.18Экспериментальные кривые с рабочей частотой 13.56 МГц такжехорошо аппроксимируются в рамках стационарной модели с учетомотражения. При этом в ходе счета было обнаружено, что для частоты 13.56МГц у расчетных кривых, описывающих экспериментальные данные, с ростоммагнитного поля растет число длин полуволн n, укладывающихся на длинеисточнике плазмы (с n=2 для 14 Гс до n=4 для В>43 Гс – рис.12).

Такимобразом, в зависимости от величины внешнего магнитного поля волны вразряде возбуждаются различные пространственные моды.Bz , 13.56МГц, 58Гс5модельэксперимент1,0n40,6nBz0,830,420,20,010102030405060102030Z (см)4050607080B (Гс)Рис.12. Сопоставление результатов эксперимента (точки) и численных расчетов (кривые)амплитуды и фазы Bz с учетом отражения от градиента концентрации в области фланца В.13.56 МГц, 400 Вт.Для изучения влияния градиента концентрации в области соединения двухкамер на формирование волновой структуры в источнике плазмы былипроведены дополнительные экспериментальные исследования по измерениюаксиального распределения амплитуды и фазы Bz для случая оргстеклянногофланца В (4 МГц, 0.7 мТор аргона, 400 Вт), представленные на рис.13:28.8 Гс10028.8 Гс360металлоргстеклометаллоргстекло300фаза (Вz) (градусы)80Вz6040202401801206000010203040050102030Z (см)Z (см)19405043.2 Гс10043.2 Гсметаллоргстекло360металлоргстекло300фаза (Bz) (градусы)80Bz60402024018012060000102030400501020304050Z (см)Z (см)Рис.13.

Распределение амплитуды и фазы Bz в зависимости в замисимости от материалафланца B. Рабочая частота 4 МГц, мощность 400 Вт, давление аргона 0.7 мТор.В случае диэлектрического фланца из оргстекла во всем диапазонеисследуемых внешних магнитных полей компонента Bz монотонного убываетпо мере продвижения из газоразрядной в технологическую камеру. Фаза приэтом в технологической камере в пределах погрешности экспериментаостается практически неизменной. То есть в случае фланца из оргстекла ниамплитудный, ни фазовый профиль Bz не указывают на формирование висточнике плазмы частично бегущей волны.Существенная зависимость распределения Bz от материала фланцапозволяет предположить, что условия возбуждения волн зависят от узла вводаВЧ мощности. В случае оргстеклянного фланца узел ввода ВЧ мощностиблизок к каноническому соленоидальному индуктору. При использованииметаллического разделительного фланца В узел ввода ВЧ мощностиизменяется.

Дополнительно к соленоидальному индуктору формируетсяпаразитная емкость между нижним витком антенны и фланцем. Измеренияпоказали, что ВЧ разность напряжений между антенной и фланцем достигает240 В (на частоте 13.56 МГц).На рис.14 приведены зависимости амплитуды Bz и Jz на оси источника втехнологической камере для случая 4 МГц, 0.7 мТор, 400 Вт. Видно, чтоувеличение индукции внешнего магнитного поля приводит также и к ростузначений ВЧ магнитного поля и ВЧ тока (4.16). Настоящее явление хорошокоррелирует с усилением эффекта перераспределения плотности плазмы иможет указывать на его связь с возбуждением волн.204МГц, 400Вт, 0.7мТор4МГц, 400Вт, 0.7мТор0 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс60400 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс30JzBz2020100253035040253035Z (см)Z (см)а)б)40Рис.14.

Зависимость аксиального распределения а) ВЧ магнитного поля Bz и б) ВЧ тока Jzв технологической камере в зависимости от величины внешнего магнитного поля.В пятой главе приведены описание и результаты моделирования разрядаPIC методом в программе KARAT [13]. Код KARAT позволяет решатьнестационарные электродинамические задачи со сложной геометрией,учитывающие динамику электронов, ионов.

Математической моделью,лежащей в основе кода, являются уравнения Максвелла с граничнымиусловиями и уравнения движения заряженных частиц, для решения которыхиспользуется метод крупных частиц (PIC-метод). В данной работеиспользовалась осесимметричная модель, в которой заданы 2 координаты (r,z) и учитываются 3 компоненты скорости частиц (ur, u, uz). В настоящей работемоделирование производилось для целого ряда моделей источника плазмы,которые можно разделить на однокамерный и двухкамерный случаи.Расчетная область для случая однокамерного источника представляласобой цилиндр длиною 14 см и радиусом 3.5 см.

Граница счетной областипредставляла собой идеальный проводник с нулевым потенциалом. Длинавсех источника плазмы в расчетах равнялась 11 см. В первом случае область,занятая плазмой, имела радиус 2 см. Боковые стенки и торцевая поверхностьпри z = 1.5 см источника плазмы являлись диэлектриками.

Характеристики

Список файлов диссертации