Автореферат (1105073), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Торцеваяповерхность при z = 12.5 см являлась идеальным проводником, ее потенциалбыл равен нулю.Для случая двухкамерного источника плазмы расчетная областьпредставляла собой цилиндр длины 32 см и радиусом 4 см. Сам индуктор былпомещен в диэлектрик. Объем, занятый плазмой, можно условно поделить надве области: с малым радиусом 2 см и аксиальной координатой z от 2 до 16 сми с большим радиусом 3 см и координатой от 16 до 32 см. Моделидвухкамерного источника плазмы отличались типом материала верхнего иразделительного фланцев, а также наличием дополнительного электродавблизи антенны, моделирующего емкостную связь между антенной иразделительным фланцем.
Разряд возбуждался током, текущим черезтрехвитковый индуктор, расположенный на внешней боковой поверхности21цилиндра. Рабочая частота тока была фиксирована и составляла 12.5 МГц. Вслучае двухкамерного источника плазмы индуктор располагался на боковойповерхности малого цилиндра и был помещен в диэлектрик. Расчетывыполнялись при концентрациях аргона 3∙1013 см-3. В процессе счетарегистрировались компоненты электромагнитного поля и высокочастотныхтоков в объеме, концентрации и кинетические энергии электронов и ионов, атакже пространственные распределения амбиполярного потенциала.При изучении зависимости параметров источника от величины внешнегомагнитного поля была обнаружена хорошая корреляция между радиальнымперераспределением плотности плазмы и ВЧ полей в объеме однокамерногоисточника плазмы (рис.15).
Исследования проводились в диапазоне 20-70 Гс сшагом 10 Гс. Было показано, что, что при наименьшем из рассмотренныхмагнитных полей – 20 Гс, максимум концентрации в радиальном направлениидостигается вблизи оси источника плазмы. Рост индукции приводит к тому,что радиальное распределение электронов при В = 40–50 Гс сначалавыравнивается вплоть до r=1 см, а затем при В = 70 Гс концентрацияэлектронов вблизи оси разряда (r < 1 см) уменьшается по сравнению созначениями концентрации, полученными для r=1 см и r=1.3 см.
Рассмотрениерадиальных зависимостей ВЧ полей, рассчитанных для центрального сеченияисточника плазмы показало, что наибольшее значение имеет радиальнаякомпонента ВЧ электрического поля, что находится в согласии стеоретическими работами [11]. Вблизи оси источника плазмы продольныекомпоненты ВЧ поля достигают максимума при магнитном поле 30 Гс.B=30Gs102,0x10101,6x10-3ne (cm )B=50Gs10r=0.2cmr=0.4cmr=0.7cmr=1.0cmr=1.3cmr=1.6cmr=1.8cm101,2x1098,0x1091,0x1098,0x1096,0x1094,0x100246810121416r=0.2cmr=0.4cmr=0.7cmr=1.0cmr=1.3cmr=1.6cmr=1.8cm98,0x1096,0x1094,0x102,0x102,0x100,01,0x10994,0x10B=70Gs10r=0.2cmr=0.4cmr=0.7cmr=1.0cmr=1.3cmr=1.6cmr=1.8cm0,00,0024L (cm)68 10L (cm)а)2212141602468L (cm)101214160,050,04Er/Iант0,420Гс30Гс40Гс50Гс70Гс0,030,30,10,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,050,0420Гс30Гс40Гс50Гс70Гс0,030,020,20,06E/Iант0,50,0620Гс30Гс40Гс50Гс70ГсEz/Iант0,60,020,010,010,000,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,000,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0r(см)r(см)r(см)б)Рис.15.
а) Аксиальное распределение концентрации на разном положении по радиусу для 30,50 и 70 Гс, а также б) радиальное распределение компонент Er, Ez, E в зависимости отвеличины индукции.Также в ходе моделирования однокамерного источника плазмы, начиная снекоего порогового значения внешнего магнитного поля (40 Гс) былообнаружено формирование бегущей волны с компонентой электрическогополя Er, которое можно соотнести с возбуждением в объеме косойленгмюровской волны, для которой радиальная компонента электрическогополя максимальна.В ходе моделирования двухкамерного источника плазмы былоподтверждено формирование плазменного столба с ростом индукциивнешнего магнитного поля, в ходе которого наблюдалось перераспределениеплотности плазмы между объемами источника (газоразрядным итехнологическим). Стоит отметить, что в отличие от эксперимента, в которомконцентрация электронов в технологической камере превышала аналогичныезначения в газоразрядной, в моделировании рост индукции приводил сначалак смещению разряда в технологический объем, а затем выравнивался вдольоси источника.
Данное обстоятельство можно связать с тем фактом, что вмоделировании магнитное поле выбиралось однородным вдоль всегоплазменного объема, в то время как в эксперименте в виду конфигурациимагнитов, геометрия силовых линий в области ГРК являлась расходящейся,что приводило к дополнительному уходу электронов на стенки верхнейкамеры источника.Изучение влияния емкостной составляющей показало, что при наличиинаведенного вблизи разделительного фланца высокочастотного напряжения вобласти соединения двух камер формируется скачок потенциалапространства, запирающий электроны и ускоряющий ионы. Последнеехорошо прослеживается по профилю кинетической энергии ионов (рис.16),которые в силу своей инерции не успевают реагировать на высокочастотныеизменения потенциала.23а)б)Рис.16.
Влияние емкостной составляющей на аксиальное распределение кинетическойэнергии ионов: амплитуда ВЧ напряжения а) 50 В, б) 500 В. Величина внешнегомагнитного поля – 40 Гс.Наконец, стоит отметить, что в ходе моделирования двухкамерногоисточника плазмы с малым радиусом газоразрядной камеры было обнаруженовлияние усредненного нелинейной компоненты силы Лоренца, которая влитературе носит название силы Миллера. Действие силы пропорциональноградиенту квадрата электрического поля и проявляется в вытеснениизаряженных частиц из области больших электрических полей в отсутствии илипри небольших значениях внешнего магнитного поля (до 20 Гс). В ходемоделирования было показано, что проявление эффекта становится болеезаметным с уменьшением тока, текущего через антенну (рис.17), радиуса ГРКи увеличением плотности намотки витков индуктора (рис.18), ведущим кувеличению градиента поля вблизи антенны.б)а)Рис.17. Влияние тока антенны на эффект «перекачки» разряда: а) 60 А, б) 150 А.Первое связано с тем, что ВЧ поля, ведущие к ускорению частиц в областииндуктора, пропорциональны квадрату тока, текущего через индуктор) I2, асила Миллера пропорциональна grad(E2).
Таким образом, в результатеувеличения силы тока, влияние силы Миллера становится все менее и менее24заметным. Уменьшение же радиуса делает воздействие силы Миллера болеезаметным, поскольку действие силы сосредотачивается вблизи витков, гдеградиенты полей максимальны.а)б)Рис.18. Влияние силы Миллера на а) пространственное и б) аксиальное распределениеконцентрации электронов при разной плотности намотки витков индуктора и разномрадиусе ГРКОсновные результаты и выводыНа основании систематического экспериментального исследования ичисленного моделирования физических процессов в двухкамерном ВЧиндуктивном источнике плазмы было показано:1.
В случае использования однородного магнитного поля при давлениях,когда длина свободного пробега электронов превышает геометрическиеразмеры источника плазмы, увеличение индукции магнитного поля довеличин Вкр, при которых ларморовский радиус электронов становитсяменьше радиуса газоразрядной камеры, наблюдается появление резкоочерченного в радиальном направлении плазменного столба, длинакоторого равна длине источника плазмы.
Показано, что изменениемгеометрии силовых линий магнитного поля можно менять формуплазменного столба, в том числе создавать широкую равномернуюобласть вблизи предполагаемого места расположения обрабатываемыхподложек. Показано, что при дальнейшем увеличении индукциивнешнего магнитного поля до Всрыв разряд гаснет (срыв разряда), чтовызвано выходом из области резонансного возбуждения связанныхкосой ленгмюровской волны и геликона.
Положение срыва разрядасмещается в область больших магнитных полей при увеличении рабочейчастоты, мощности ВЧ генератора и давления.252. В области сочленения газоразрядной и технологической камер прииспользовании металлического разделительного фланца, наблюдаютсялокальные минимумы концентрации, температуры электронов ипотенциала пространства, связанные с наличием паразитной емкостимежду антенной и фланцем.
Рост магнитного поля приводит квыравниванию аксиального распределения потенциала и параметровплазмы. Использование диэлектрического фланца приводит кувеличению концентрации плазмы в газоразрядной камере вследствиеисключения паразитного емкостного канала вложения мощности вразряд.3. Увеличение индукции магнитного поля позволяет повыситьконцентрацию электронов в технологической камере на всехиспользованных частотах, причем на рабочих частотах 4 и 13.56 МГцона становится выше, чем в газоразрядной камере. Эффект аксиальногоперераспределения плотности плазмы с изменением индукциимагнитного поля вызван самосогласованным действием следующихфакторов: изменением аксиального распределения ВЧ полей,связанного с возбуждением волн в плазме, изменением величинквазистационарных скачков потенциала в разряде вблизиметаллических элементов конструкции источника плазмы и действиемсилы Миллера, выталкивающей электроны и ионы из области сильногоВЧ поля.
Наибольшие значения плотности плазмы (ne=51010 cм-3 примощности ВЧ генератора 400 Вт) в технологической камере полученыпри рабочей частоте 4 МГц.4. При превышении определенного порогового значения индукциивнешнего магнитного поля Впорог в источнике плазмы с металлическимразделительным фланцем наблюдается формирование волновойструктуры, соответствующей резонансу связанных геликонных и косыхленгмюровских волн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
