Диссертация (1105074), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Подобное поведениеможет быть объяснено в рамках допущения наличия дополнительногоемкостного узла ввода мощности в предыдущих экспериментах. А именно,при использовании металлического разделительного фланца В междунижним витком антенны и фланце наводится ВЧ разность напряжений (до240 В на частоте 13.56 МГц – таблица 3.4.1), которая в свою очередь можетоказывать значительное влияние на возбуждение разряда и формированиевнутренней структуры последнего.Суммируя полученные в разделе результаты, можно сделать вывод, прииспользовании металлического фланца в рассматриваемом источнике плазмыпроисходитвозбуждениечастичнобегущихволн.Пространственнаяструктура ВЧ полей и токов хорошо аппроксимируется в предположении116формирования и наложения друг на друга прямой и отраженной от нижнегофланца D волн.
Учет отражения волн от области градиента концентрацииплазмы позволяет добиться лучшего согласия расчетных кривых сэкспериментом.На рабочей частоте 2 МГц формирование волновой структуры во всемдиапазоне магнитных полей вплоть до срыва разряда не наблюдается, заисключением образования характерного профиля фазы частично стоячейволны на предельно допустимом значении внешнего магнитного поля для 2МГц – 43 Гс.На рабочей частоте 4 МГц и 13.56 МГц волновая структура поля Bzначинает проявляться со значений внешнего магнитного поля 28 и 14 Гссоответственно, т.е.
наблюдается смещение области формирования волновойструктуры ВЧ полей Bz в сторону меньших магнитных полей с увеличениемрабочей частоты генератора. Формирование структуры ВЧ токов для частот 4и 13.56 МГц начинается со значения внешнего магнитного поля в 14 Гс, исмещения по полю с изменением рабочей частоты не наблюдается.Формирование волновой структуры ВЧ полей Bz на рабочей частоте13.56 МГц происходит, начиная с малого числа длин полуволн n=2, котороевозрастает до n=4 по мере дальнейшего увеличения магнитного поля висследуемом диапазоне. Формирование волновой структуры ВЧ полей Jz нарабочей частоте 13.56 МГц начинается сразу с волнового числа n=4, котороепо мере дальнейшего увеличения внешнего магнитного поля не меняется.Пространственная структура ВЧ токов Jz на рабочей частоте 13.56 МГцимеетменьшуюотносительнуюамплитудуколебанийвобластитехнологической камеры по сравнению с ВЧ полями Bz, что может указыватьна относительно большее затухание первых по сравнению с последним.Замена металлического фланца В на оргстеклянный приводит кисчезновению волновой структуры полей Bz, что может указывать назначительное влияние емкостного узла ввода мощности между нижнимвитком антенны и фланцем B, на её формирование.1174.4.
Радиальные распределения продольных компонент ВЧ полей итоковПомимо аксиального распределения ВЧ компонент магнитного поля Вzи тока Jz на оси источника плазмы в ходе экспериментов также былиизмерены зависимости от внешних условий эксперимента радиальныхраспределений указанных компонент в нижней вакуумной камере (z=30 см).Так, были измерены зависимости радиальных распределений ВЧ компонентымагнитного поля Вz и Jz от внешнего магнитного поля для разных значенийдавления, мощности ВЧ генератора и конструкции источника. Однако попричине их схожести в настоящей главе на рис.4.4.1 приведена типичнаязависимость.4МГц, 400Вт, 1.5мТор0 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс72 Гс80Bz6040200-20-1001020r (см)Рис.4.4.1.
Типичная зависимость радиального распределения ВЧ компоненты магнитногополя Вz от величины внешнего магнитного поля.Видно, что поля охотно проникают в рабочий объем источника плазмы.Аналогично Bz(r) на зависимостях радиального распределения Jz(r) отвнешнего магнитного поля для 4 МГц также наблюдается проникновения ВЧтоков в объем (4.4.2).11812150Вт, 0.7мТор35 400Вт, 0.7мТор0 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс1080 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс72 Гс3025JzJz206151045200-20-10010-2020-10010r (см)r (см)а)б)20Рис.4.4.2.
Зависимостях радиального распределения Jz(r) от внешнего магнитного поля. Рабочаячастота 4 МГц, давление аргона 0.7 мТор, мощность ВЧ генератора а) 150 Вт, б) 400 Вт.4.5. Связь пространственного распределения полей и концентрацииэлектроновНа рис.4.5.1 приведены зависимости распределения ВЧ магнитногополя и тока в технологической камере от величины внешнего магнитногополя.4МГц, 400Вт, 0.7мТор4МГц, 400Вт, 0.7мТор0 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс600 Гс14.4 Гс28.8 Гс43.2 Гс57.6 Гс3040JzBz2020100253035400253035Z (см)Z (см)а)б)40Рис.4.5.1.
Зависимость аксиального распределения а) ВЧ магнитного поля Bz и б) ВЧ токаJz в технологической камере в зависимости от величины внешнего магнитного поля.Видно, что увеличение индукции внешнего магнитного поля приводиттакже и к росту значений ВЧ магнитного поля и ВЧ тока. Настоящее явлениехорошо коррелирует с усилением эффекта «перекачки» разряда и может119указывать на связь между возбуждением волн и перераспределениемконцентрации электронов.4.6. Эффективность вложения ВЧ мощностиНа рис.4.6.1-4.6.6 изображены зависимости доли мощности PplPgen,поглощенной плазмой, от величины индукции внешнего магнитного поляполученные при использовании соленоидальной антенны и различныхвеличинах мощности ВЧ генератора, давления аргона, и рабочей частоты.0,802МГц, 0.7мТор4МГц, 0.7мТор0,900,750,85Ppl/PGenPpl/PGen0,700,650,600,800,75150Вт250Вт400Вт600Вт0,70150Вт250Вт400Вт0,550,650,500,60010203040500102030B (Гс)а)0,905060б)13.56МГц, 0.7мТор0,85150Вт400Вт0,8540B (Гс)4МГц, 15мТор, гелий0,80Ppl/PGenPpl/PGen0,750,800,750,700,650,700,600,650,550102030B (Гс)в)405060150Вт300Вт450Вт600Вт0246810B (Гс)г)Рис.4.6.1.
Зависимость эффективности вложения ВЧ мощности от индукции внешнегомагнитного поля для разных значений мощности ВЧ генератора. Давление аргона0.7 мТор, а) 2 МГц, б) 4 МГц, в) 13.56 МГц, г) давление гелия 15 мТор, 4 МГц.1202МГц, 400Вт0,80,70,70,60,6Ppl/PGenPpl/PGen0,80,50.07мТор0.7мТор1.5мТор0,40,302МГц, 400Вт0.15мТор0.7мТор1.5мТор0,50,41530450,3600B (Гс)10203040506070B (Гс)а)б)0,85Ppl/PGen0,800,75450Вт, 11мТор450Вт, 15мТор450Вт, 34мТор450Вт, 74мТор0,700,650246810B (Гс)в)Рис.4.6.2. Зависимость эффективности вложения ВЧ мощности от индукции внешнегомагнитного поля для различных давлений аргона и гелия.
а) 400Вт, 2МГц, аргон, б) 400Вт, 4МГц, аргон; в) 450 Вт, 4 МГц, гелий.1211,0400Вт, 0.7мТор0,8Ppl/PGen0,62МГц4МГц13.56МГц0,40,20,0-1001020304050607080B (Гс)Рис.4.6.3. Зависимость эффективности вложения ВЧ мощности от индукции внешнегомагнитного поля для рабочих частот 2, 4 и 13.56МГц. 400Вт, давление аргона 0.7мТор.Из приведенных выше на рис.4.6.1-4.6.3 зависимостей видно, чтоувеличение мощности ВЧ генератора, подводимой к системе, давления ирабочей частоты приводят, во-первых, к смещению положения основногомаксимума эффективности энерговклада ( B) в область больших магнитныхполей, а, во-вторых, к увеличению абсолютных значений энерговклада.Кроме того, при рабочих частотах более 2 МГц в разряде в аргоне приизменении В наблюдается появление нескольких локальных максимумов иминимумов ( B) .Из указанных выше рисунков видно, что при низких давлениях областьсуществования разряда в ряде случаев оказывается ограниченной со стороныбольших магнитных полей.
Как указывалось в главе 3, превышениенекоторой критической для каждого набора внешних условий величинымагнитного поля B* приводит к переходу разряда в моду с низкойинтенсивностью свечения или его погасанию. При этом эффективностьпоглощения ВЧ мощности падает. Такой эффект в литературе обычноназывают срывом разряда [39-40,42-46]. В качестве причин срыва разрядавыделяют следующие: 1) рассогласование генератора с внешней цепью,включающей плазму [43-44,46], 2) падение эквивалентного сопротивленияплазмы в виду выхода разряда из области резонансного возбуждения волн122[39-40,42,45]. Физически обе причины связаны с выходом из областирезонансного возбуждения геликонной и косой ленгмюровской волн.
Внастоящей работе использовалась автоматическая система согласования, исогласование производилось в каждой точке по магнитному полю. В связи сэтим первая причина срыва разряда маловероятна.На рис.4.6.4 представлены результаты расчета ( B) , на основесамосогласованноймоделииндуктивныхВЧисточниковплазмы,помещенных во внешнее магнитное поле [39]. Как видно, так же как вэксперименте область существования разряда при рабочих частотах 2 и 4МГц оказывается ограниченной со стороны магнитных полей. Значения B*растут с увеличением рабочей частоты и мощности ВЧ генератора.4002МГц4МГц13.56МГцW=150Вт150 p=1мТорW=400Втp=1мТор3002МГц4МГц13.56МГцPplPpl100502001000010020030040005000100200В (Гс)400500В(Гс)а)120300б)W=150Втp=5мТор0,8W=400Втp=5мТорPplPpl800,42МГц4МГц13.56МГц402МГц4МГц13.56МГц0,00110100В(Гс)в)110100В(Гс)г)Рис.4.6.4.
Зависимости эффективности вложения ВЧ мощности от индукции внешнегомагнитного поля а) 1 мТор, 150 Вт, б) 1 мТор, 400 Вт, в) 5 мТор, 150 Вт, г) 5 мТор, 400 Вт.123При давлении 1 мТор и рабочей частоте 13.56 МГц при B > 100 Гснаблюдаются осцилляции функции ( B) . Локальные максимумы ( B)связаны с областями резонансного возбуждения геликонов и косыхленгмюровских волн. Рост давления аргона приводит к сглаживаниюзависимости от В. В связи с этим, причиной отсутствия ярко выраженнойнемонотонности эффективности энерговклада для случая использованиягелия на рабочей частоте 4 МГц по сравнению с аналогичнымизависимостями для аргона может являться большая разница в давлениях.
Таккак при использовании гелия в качестве рабочего газа поджиг разрядазначительно затруднен по сравнению с аргоном, то давление в камере в этомслучае на два порядка выше. Последнее в свою очередь приводит кзначительному сглаживанию и выравниванию зависимостей.Таким образом, выполненные расчеты позволяют связать срывыразряда с падением эквивалентного сопротивления плазмы по причиневыхода из резонанса, в результате чего мощности, поглощенной плазмой,становится недостаточно для поддержания разряда.124Глава 5. Моделирование в программе «КАРАТ»5.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
