Диссертация (1105074), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Так, прирабочей частоте 2 МГц, давлениях, при которых длина свободного пробегаэлектронов меньше продольного размера источника плазмы и при низкихзначенияхмагнитногополяконцентрацияэлектроновneдостигаетмаксимума в газоразрядной камере и, как правило, монотонно спадает помере продвижения в нижнюю технологическую камеру. Аналогично ведутсебя температура электронов Te и потенциал пространства Vs (рис.3.3.1).2МГц, 15мТор, 450Вт, гелий2МГц, 15мТор, 450Вт, гелий50101,0x100Гс24Гс36Гс8,0x1090Гс24Гс36Гс40Vs (В)ne (см-3)306,0x109204,0x109102,0x10900,0010203040050102030Z (см)Z (см)а)40509113.56МГц, 150Вт, 3мТор, аргон13.56МГц, 150Вт, 3мТор, аргон0Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс2x10100Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс20Vs (В)ne (см-3)3x1010101x1010000102030400501020304050Z (см)Z (см)б)13.56МГц, 250Вт, 0.7мТор - расходящееся поле400Гс16Гс32Гс48Гс4x101013.56МГц, 250Вт, 0.7мТор - расходдящееся поле0Гс16Гс32Гс48Гс30Vs (В)ne (см-3)3x10102x1010201x1010100010203040050Z (см)1020304050Z (см)в)Рис.3.3.1.
Случаи формирования градиента концентрации – зависимости ne(z) и Vs(z): а)малая рабочая частота, б) высокое рабочее давление, в) расходящееся магнитное поле.Падение потенциала пространства по мере продвижения из ГРК втехнологическуюкамерусвязаноспоявлениемамбиполярногоэлектрического поля, обусловленного наличием градиента концентрацииэлектронов:EA De grad nT grad n, ebenen(3.1)Амбиполярное поле удерживает электроны в ГРК и ускоряет движениеионов по направлению к нижнему фланцу. Эксперименты показали, чторазность между максимальным значением потенциала Vs в газоразряднойкамере и минимальным значением Vs в технологической камере можетдостигать 50 В, что должно приводить к появлению быстрых ионов при z >25 см.924МГц, 150Вт, 1.5мТор, аргон8100 Гс12 Гс36 Гс60 Гс70Гс12Гс36Гс60Гс98Te (эВ)6Te (эВ)4МГц, 300вт, 18мТор, гелий5746350102030405001020Z (см)304050Z (см)а)б)Рис.3.3.2.
Типичный вид зависимости Te(z) при разных значениях внешнего магнитного поля:а) 4 МГц, 150 Вт, давление аргона 1.5 мТор, б) 4 МГц, 300 Вт, давление гелия 18 мТорРассмотрим далее результаты зондовых измерений, выполненные придавлении аргона менее 1 мТор, рабочих частотах 4 и 13.56 МГц и магнитныхполях 0–60 Гс. Полученные результаты показаны на рис.3.3.3.4МГц, 250Вт, 0.7мТор4МГц, 250Вт, 0.7мТор4x10100Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс50400Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс2x10101x101030Vs (В)ne (см-3)3x1010201000-100102030400501020304050Z (см)Z (см)а)4МГц, Гелий, 11мТор, 600Ватт4МГц, Гелий, 11мТор, 600Ватт103,2x100Гс12Гс24Гс36Гс48Гс40Vs (В)ne (см-3)2,4x10100Гс12Гс24Гс36Гс48Гс601,6x10102008,0x109-200,0010203040050102030Z (см)Z (см)б)4050937x10106x101040304x1010Vs (В)ne (см-3)5x101013.56МГц, 150Вт, 0.7мТор13.56МГц, 150Вт, 0.7мТор0Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс103x10200Гс12Гс24Гс36Гс48Гс60Гс102x10101x101000-10010203040050Z (см)1020304050Z (см)в)Рис.3.3.3.
Зависимости аксиального распределения концентрации и потенциалапространства от величины внешнего магнитного поля: а) 4 МГц мощность 250 Вт,давление аргона 0.7 мТор, б) 4 МГц мощность 600 Вт, давление гелия 11 мТор, в) 13.56МГц, мощность 150Вт, давление аргона 0.7 мТор.Из рисунков видно, что при увеличении магнитного поля происходитрост концентрации электронов в нижней технологической камере. Обращаетнасебявнимание,чтовобластирасположенияразделительногометаллического фланца формируются локальные минимумы ne, Te и Vs.,величина которых уменьшается с ростом магнитного поля.
Как указывалосьвыше, при магнитных полях более 20 Гс ларморовский радиус электроновстановится много меньшим, чем радиус источника плазмы, при этомдвижение электронов поперек магнитного поля затруднено. Движение жеэлектронов вдоль силовых линий в аксиальном направлении контролируетсяпродольнымраспределениемквазистационарногоэлектрическогопотенциала плазмы.
При отсутствии магнитного поля разница междумаксимальным значением потенциала в верхней камере и измеренным приz=25 cм V превышает 20 В, при магнитном поле 50 Гс в аргоне величинаV уменьшается до 5–10 В. Характерные значения температуры электроновдля случаев аргона и гелия при условиях настоящих экспериментовсоставляют величины 5 и 8 эВ.
Таким образом, при B=0 медленныеэлектроны, образованные в верхней камере, оказываются запертыми тамэлектрическим полем, а в нижнюю камеру попадают лишь электроны с94энергией более 20 эВ. Уменьшение величины V с ростом магнитного полясопровождается увеличением числа электронов, способных преодолетьпотенциальный барьер между камерами, что приводит к увеличениюплотности плазмы в технологической камере.3.4. Влияние емкостной составляющей на параметры разрядаЕстественно предположить, что минимум потенциала, наблюдаемыйвблизи фланца, разделяющего камеры, возникает благодаря паразитнойемкости, существующей между витками антенны и металлическим фланцем.При этом витки антенны и разделительный фланец формирует емкостнойканал ввода ВЧ мощности, благодаря которому вблизи фланца формируетсяквазистационарный слой пространственного заряда, запирающий медленныеэлектроны в ГРК.
Для прояснения данного явления, на следующем этапеработы были выполнены эксперименты по выявлению роли паразитнойемкости. Для этого были проведены сравнительные измерения аксиальныхраспределенийзондовогоионноготоканасыщениявконструкцияхисточника плазмы с металлическим и диэлектрическим (оргстеклянным)разделительными фланцами. Полученные результаты показаны на рис.3.4.1.3,20 Гс2,82,42,42,02,01,6с медной шинойбез шиныоргстекло1,61,21,20,80,80,40,40,014.4 Гс2,8I (мА)I (мА)3,2с медной шинойбез шиныоргстекло0,00102030Z (см)40500102030Z (см)4050953,23,228.8 Гсс медной шинойбез шиныоргстекло43.2 Гсс медной шинойбез шиныоргстекло2,82,42,42,02,0I (мА)I (мА)2,81,61,61,21,20,80,80,40,40,00,001020304005010203,2304050Z (см)Z (см)57.6 Гсс медной шинойбез шиныоргстекло2,82,4I (мА)2,01,61,20,80,40,001020304050Z (см)Рис.3.4.1.
Эффект перераспределения ионного тока насыщения в зависимости от типа изаземления фланца B. Рабочая частота 4 МГц, 400 Вт, давление аргона 0.7 мТор.Как видно, в случае диэлектрического фланца наблюдается увеличениеi+ в газоразрядной камере. Это связано с увеличением тока антенны,связанного с исключением утечек, вызванных наличием паразитной емкостимежду антенной и металлическим фланцем. С ростом магнитного поляразница в значениях ионного тока в ГРК, полученных с металлическим иоргстеклянным фланцем, падает.
Это, по-видимому, связано с умеьшениемроли емкостной составляющей разряда с увеличением В.Значения i+ в технологической камере практически не зависят отматериалафланца.Обращаетнасебявнимание,чтовслучаедиэлектрического фланца локальный минимум в области сочленения ГРК итехнологическойкамеры отсутствует, чтоподтверждает гипотезу о96формированиислояпространственногозарядаприиспользованииметаллического фланца.В заключение раздела была проверена гипотеза о возможностиувеличенияплотностиплазмывтехнологическойкамерезасчетиспользования паразитной емкости между антенной и разделительнымфланцем.
Для этого металлический фланец отсоединялся от земли. При этоммежду разделительным и нижним фланцами возникало ВЧ напряжение.Значения напряжения между заземленным фланцем D технологическойкамеры и незаземленным фланцем B приведены в таблице 3.4.1.ЧастотаБез заземления150 Вт250 Вт400 Вт2 МГц37 В40 В48 В4 МГц40 В50 В70 В13.56 МГц175 В195 В240 ВТаблица 3.4.1. Величина напряжения, оседающего между фланцем B и взависимости от рабочей частоты и мощности ВЧ генератораКак видно, максимальные значения ВЧ напряжения возникают приработе на частоте 13.56 МГц.
Рис.3.4.1 показывает, что использованиенезаземленного электрода на частоте 4 МГц практически не влияет нааксиальное распределения ионного тока – существенного увеличенияионноготокавнижнейтехнологическойкамерененаблюдается.Аналогичные результаты были получены и для частоты 13.56 МГц(рис.3.4.2). Таким образом, использование незаземленного разделительногофланца представляется нецелесообразным.970 Гс14.4 Гсбез медной шиныс шиной2.52,52.02,01.51,51.01,00.50,50.00,0010203040без медной шиныс шиной3,0I (мА)I (мА)3.005010203028.8 Гс2,02,0I (мА)I (мА)2,51,51,51,01,00,50,50,00,010203040без медной шиныс шиной3,02,505010203057.6 Гс5072 Гсбез медной шиныс шиной3,02,52,52,02,01,51,51,01,00,50,50,00,010203040без медной шиныс шиной3,0I (мА)I (мА)40Z (см)Z (см)05043.2 Гсбез медной шиныс шиной3,0040Z (см)Z (см)0501020304050Z (см)Z (см)Рис.3.4.2.
Эффект перераспределения ионного тока насыщения в зависимости отзаземления фланца B. Рабочая частота 13.56 МГц, 400 Вт, давление аргона 0.7 мТорВ целом, поведение разряда, когда он с ростом магнитного полясначалавыравнивается,технологическойкамеры,азатемможетперераспределяетсябытьсвязаносовсторонуследующими98обстоятельствами: в начале поджига разряда в отсутствие магнитного поляэлектроны формируются в области ГРК и перемещаются в нижнюю камеру ввиду теплового движения. Затем, по мере увеличения внешнего магнитногополя, электроны выстраиваются вдоль силовых линий и при больших длинахсвободного пробега начинают охотно проникать в технологический объем.Дальнейшее же увеличение поля, когда ларморовский радиус становитсясопоставимым с радиусом ГРК, в виду расходимости в области ГРК начинаетспособствовать дополнительным потерям электронов на стенках в верхнейкамере и, как следствие, дополнительной неравномерности распределенияконцентрации в источнике плазмы.3.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
