Диссертация (1105074)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКафедра физической электроникиНа правах рукописиПетров Александр КирилловичФизические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивномисточнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле01.04.08 – физика плазмыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Д.ф.-м.н.Кралькина Е.А.Москва – 20162ОглавлениеВведение ..................................................................................................................
4Глава 1. Обзор литературы ............................................................................... 24Глава 2. Описание экспериментальной установки и методовисследований ........................................................................................................
482.1. Описание экспериментальной установки ................................................. 482.2. Методика определения доли ВЧ мощности, поглощенной плазмой .... 512.2.1. Эквивалентная электрическая схема .................................................. 512.2.2. Понятие эквивалентного сопротивления .......................................... 532.2.3.
Методика измерение мощности, вложенной в плазму .................... 542.2.4. Методика измерения ВЧ тока .............................................................. 562.3. Методика зондовой диагностики ............................................................. 572.2. Методика измерения ВЧ токов и магнитных полей ............................... 592.5.
Выбор условий эксперимента ................................................................... 62Глава 3. Экспериментальные исследования параметров плазмы .......... 793.1. Особенности индуктивного ВЧ разряда, наблюдаемые при изменениииндукции магнитного поля и давления газа ................................................... 793.2. Аксиальное распределение зондового тока насыщения ........................ 823.3. Аксиальное распределение концентрации и эффективной температурыэлектронов, потенциала пространства ............................................................
903.4. Влияние емкостной составляющей на параметры разряда ................... 943.5. Выводы ........................................................................................................ 98Глава 4. Экспериментальные исследования пространственногораспределения ВЧ полей и токов, закономерностей энерговклада ....... 1004.1.
Аксиальное распределение продольных компонент ВЧ полей и токов............................................................................................................................ 1014.2. Анализ результатов измерения продольных компонент ВЧ полей итоков ................................................................................................................. 1054.3. Влияние емкостной составляющей на аксиальное распределение ВЧполей и токов ................................................................................................... 11434.4. Радиальные распределения продольных компонент ВЧ полей и токов............................................................................................................................
1174.5. Связь пространственного распределения полей и концентрацииэлектронов......................................................................................................... 1184.6. Эффективность вложения ВЧ мощности .............................................. 119Глава 5. Моделирование в программе «КАРАТ» ....................................... 1245.1. Моделирование плазмы методом крупных частиц ..............................
1245.2. Моделирование однокамерного источника ........................................... 1275.2.1. Зависимость параметров плазмы от величины внешнего магнитногополя ................................................................................................................ 1295.2.2. Зависимость параметров плазмы от положения антенны в случаеоднородного внешнего магнитного поля .................................................. 1325.2.3. Зависимость параметров плазмы от конфигурации внешнегомагнитного поля ............................................................................................
1345.2.4. Распространение волн в однокамерном источнике плазмы .......... 1355.3. Моделирование двухкамерного источника ........................................... 1365.3.1. Формирование плазменного столба ................................................. 1385.3.2. Перераспределение плотности плазмы – эффект «перекачки» ..... 1395.3.3. Влияние емкостной составляющей на перераспределениеконцентрации электронов ...........................................................................
1405.3.4. Влияние тока антенны на перераспределение концентрацииэлектронов .................................................................................................... 1435.3.5. Влияние плотности намотки витков индуктора на распределениеплотности плазмы ........................................................................................ 1445.4. Выводы ......................................................................................................
146Основные результаты и выводы .................................................................. 147Благодарности ................................................................................................... 150Список цитированной литературы .............................................................. 151Список публикаций по теме диссертации ................................................... 1664ВВЕДЕНИЕАктуальность темыИндуктивный ВЧ разряд низкого давления, помещенный во внешнеемагнитное поле, является неотъемлемой частью многочисленных земных икосмическихтехнологий.Разрядиспользуетсявполупроводниковойпромышленности при производстве микросхем, в качестве активной средыкосмических электрореактивных двигателей [1-3], источников света [4], впроцессах поверхностной модификации материалов [5-6], напыления иосаждения покрытий [7-31].Широкий круг практических задач, решаемых с помощью индуктивногоВЧ разряда, помещенного во внешнее магнитное поле, определяетсявозможностью получения в разряде плотной плазмы с минимальнымиэнергозатратами.
Известно, что в индуктивном ВЧ разряде ВЧ поляскинируются и не проникают вглубь плазмы [32-34]. Наложение внешнегомагнитного поля, индукция которого соответствует областям резонансноговозбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн, сопровождаетсяпоявлением областей прозрачности, где ВЧ поля проникают вглубь плазмы иэффективно нагревают электроны [35-40]. В литературе подобный разрядполучил название «геликонного» [41].
В настоящее время в литературепринята точка зрения, что поглощение ВЧ мощности в разряде приконцентрациях электронов менее31012 см-3 происходит вследствиечеренковского механизма поглощения энергии косой ленгмюровской волны[39-40,42-46].Ростчислаэлектрон-атомныхстолкновенийприувеличениидавленияилиилиэлектрон-ионныхплотностиплазмысоответственно приводит к понижению роли косой ленгмюровской волны иснижению эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой [39-40,42,47].При этом основной объем исследований, выполненный в литературе,соответствуют именно высоким величинам индукции внешнего магнитногополя и ВЧ мощности, при которой концентрация электронов достигаетвеличин порядка 51012 см-3, а частота электрон-ионных соударений5превышаетвеличинуkvTe,характеризующуюбесстолкновительноепоглощение. (k – волновое число, vTe - тепловая скорость электронов).В последние годы наметилась тенденция использования индуктивного ВЧразряда с внешним магнитным полем в плазменных технологиях приотносительно небольших значениях ВЧ мощности и индукции магнитногополя [40].
Наибольшее распространение в технологических приложенияхполучил двухкамерный источник плазмы, состоящий из двух объемов разногорадиуса – газоразрядного (ГРК), где формируется разряд, и технологического,где располагаются образцы [7-31]. В указанных источниках используетсярасходящееся в технологической камере магнитное поле. Достигаемаяконцентрация электронов в таких источниках не превышает 51011 см-3, амагнитное поле – 250 Гс. Обзор литературы показывает, что свойства разряда,реализуемого в таких источниках, изучены далеко не полностью. Кроме того,развитие и оптимизация характеристик источников плазмы, предназначенныхдля реализации плазменных технологий, ставят задачу нахождения ключевыхвнешних факторов, позволяющих управлять его основными параметрами, аименно: концентрацией и энергетическим распределением электронов иионов, пространственным распределением указанных величин. В связи совсем вышеизложенным тема диссертационной работы является актуальной.Цель работыЦелямидиссертационнойработыявлялосьэкспериментальноеисследование и численное моделирование методом крупных частиц (PIC)физических процессов и механизмов, влияющих на аксиальное распределениепараметров разряда,втомчислепространственногораспределенияпродольной компоненты ВЧ магнитного поля и зависимостей вложения ВЧмощностивплазмудвухкамерноговысокочастотногоиндуктивногоисточника плазмы от давления рабочих газов (0.07-5 мТор для аргона и 11-74мТор для гелия), индукции внешнего магнитного поля (0-70 Гс), частоты (2, 4,13.56 МГц) и мощности (0-600 Вт) ВЧ генератора.6Научная новизна работыВпервые было проведено комплексное систематическое исследованиепространственного распределения параметров разряда (концентрации итемпературы электронов, потенциала пространства), продольных компонентвысокочастотных магнитного поля Bz и тока Jz, а также эффективностипоглощения ВЧ мощности плазмой в двухкамерном индуктивном ВЧисточнике плазмы с однородным в области технологической камеры внешниммагнитным полем.
Обнаружено, что в области сочленения газоразрядной итехнологическойкамерприусловиииспользованияметаллическогоразделительного фланца, наблюдаются локальные минимумы концентрации,температуры электронов и потенциала пространства, связанные с наличиемпаразитной емкости между антенной и фланцем. Увеличение индукциивнешнегомагнитногораспределенияполяпотенциалаприводитиквыравниваниюпараметровплазмы.аксиальногоИспользованиедиэлектрического фланца приводит к исчезновению локального минимума вобластисочленениякамериувеличениюконцентрацииплазмывгазоразрядной камере вследствие исключения паразитного емкостного каналаразряда.Впервые показано, что в случае использования слабо расходящегосямагнитного поля в газоразрядной камере и однородного магнитного поля втехнологической камере при давлениях, когда длина свободного пробегаэлектроновпревышаетгеометрическиеразмерыисточникаплазмы,увеличение индукции магнитного поля позволяет повысить концентрациюэлектронов в технологической камере, причем на рабочих частотах 4 и 13.56МГц плотность плазмы в технологической камере становится выше, чем вгазоразрядной.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
