Диссертация (1105074), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В связи с этим в концеглавы сформулированы задачи диссертационной работы.Во второй главе содержится описание установки, основных использованныхэкспериментальных методов, а также выбор условий эксперимента, при которыхвозможно проникновение в объем источника геликона и косой ленгмюровской волны.Источник плазмы состоял из двух соосных цилиндрических кварцевыхкамер разного диаметра: газоразрядной камеры (ГРК - диаметром 10 см идлиной 20 см) и технологической (диаметром 46 см и длиной 30 см). Междусобой камеры соединялись через серию разделительных фланцев, сверхуисточника плазмы был ограничен металлическим фланцем, через которыйосуществлялся напуск рабочего газа, а также ввод диагностическогооборудования,снизу–металлическимфланцем,черезкоторыйосуществлялась откачка камеры.
Общая длина источника плазмы вдоль осисоставляла 55 см. В большинстве экспериментов все фланцы были заземлены.Ввод ВЧ мощности осуществлялся через соленоидальный индуктор,расположенный на боковой поверхности ГРК на расстоянии 10-16 см отверхнего фланца. Индуктор был выполнен из полой медной проволоки13диаметром 3 мм с водяным охлаждением. Измерения текущего по антеннетока I производились с помощью пояса Роговского.При условии согласования нагрузки с генератором часть ВЧ мощностиPGen, поступающей от генератора во внешнюю цепь индуктивного ВЧ разряда,расходуется на нагрев индуктора, а часть — поглощается плазмой. МощностьPpl , вложенная в плазму, находилась путем измерения величин мощности ВЧгенератора и тока, текущего через антенну при наличии разряда и без него.Для создания внешнего аксиального магнитного поля на боковойповерхности технологической камеры вблизи разделительного и нижнегофланцев монтировалось два электромагнита.
Данные магниты позволялисоздавать в технологической камере магнитное поле, однородное на оситехнологической камеры в пределах 7%-погрешности. При этом вгазоразрядной камере внешнее магнитное поле было слабо расходящимся.Для измерения эффективной температуры, концентрации электронов ипространственного потенциала использовались зонды Ленгмюра. Зондыпредставляли собой остеклованные вольфрамовые проволоки диаметром 0,6мм с длиной рабочей поверхности 6 мм. Конструкция источника плазмыпозволяла подводить зонды к исследуемой области разряда через верхний инижний фланцы. Для измерения зондовых характеристик разряда в верхнейчасти источника (в ГРК) использовалась система зондов Г-образной формы,которые вводились в камеру через технологические отверстия в верхнемфланце источника плазмы. Для проведения аксиальных измерений зондовыххарактеристик в нижней, технологической, камере использовались подвижныезонды Z-образной конструкции, вводимые через отверстия в нижнем фланце.В качестве опорного электрода в вышеописанных случаях выступалисоответственно верхний и нижний фланцы источника.
Сигнал с зондовЛенгмюра пропускался через фильтр для подавления ВЧ составляющейзондового напряжения.Для измерения аксиальной компоненты высокочастотных магнитныхполей в разряде (Вz) использовался миниатюрный индуктор из 25 витков14диаметром 2 мм. Витки были выполнены из 0.3 мм медной проволоки,суммарная длина индуктора составляла порядка 8 мм. Измерение аксиальнойкомпоненты высокочастотного тока (Jz) осуществлялось с помощьюминиатюрного пояса Роговского размерами (D14xd6xH4) с 10 виткамидиаметром 4мм, выполненными из медной проволоки диаметром 0.3 мм. Длякомпенсации магнитного потока, параллельного измеряемому току, быловыполнено «обратное кольцо». Зонды помещались в заземленный корпус,закрепленный на заземленной медной полой трубке, выведенной из источникаплазмы через технологические отверстия, выполненные в нижнем фланцеисточника плазмы.
Выводы – провода магнитного зонда и пояса Роговского –переплетались и пропускались через медную трубку. Сигнал с проводовпропускался через трансформаторную развязку, помещенную в заземленныйстальной корпус со стенками толщиной 2 мм для исключения емкостныхнаводок внутри цепи. После трансформаторной развязки сигнал поступал наВЧ изолированный 50 Ом-кабель, с которого считывался с помощьюселективного вольтметра «В6-10». Данный прибор позволял выборочноизмерять сигнал на частоте от 0.1 до 30 МГц с шириной области пропусканиясигнала в 1 кГц.Для определения фазы измеряемой компоненты ВЧ тока или ВЧмагнитного поля относительно тока, текущего через антенну, использовалсяцифровой двухканальный осциллограф, на один из каналов которогоподавался сигнал с пояса Роговского, измеряющего ток антенны, на другой –сигнал с диагностического зонда.
Прибор позволял по смещению вовременной развертке определять сдвиг сигнала зонда относительно токаантенны. Используя значение рабочей частоты, определялся сдвиг фазы вградусах.Эксперименты проводились в разряде в аргоне и гелии при давлениях от0.07 до 74 мТор при мощностях ВЧ генераторов до 600 Вт, работающих начастотах 2, 4, 13.56 МГц. Величина индукции внешнего магнитного поля приэтом менялась от 0 до 70 Гс. Для выбранных условий выполнялись15неравенства ωLi « ω «e « ωLe, при которых возможно резонансное возбуждениев объеме источника геликонов и косых ленгмюровских волн.В третьей главе приведены результаты исследования аксиальногораспределения параметров плазмы: зондового ионного тока насыщения,концентрации и температуры электронов, а также пространственногопотенциала в зависимости от внешних условий.Экспериментальные исследования разряда в двухкамерном источникеплазмы, выполненные на частотах 4 и 13.56 МГц при давлении аргона ниже 1мТор и мощностях ВЧ генератора PGen более 100 Вт, показали, что наложениеоднородного магнитного поля приводит к существенным изменениямпротяженности разряда.
При отсутствии внешнего магнитного поля разрядконцентрируется в верхней газоразрядной камере. Увеличение величинымагнитного поля при давлениях аргона менее 1 мТор сначала приводит кпоявлению плазмы в верхней части нижней газоразрядной камеры, затемдлина интенсивно светящейся части разряда в нижней камере начинает расти,и, наконец, разряд замыкается на нижней фланец, формируя протяженныйплазменный столб. Диаметр плазменного столба примерно равен диаметруверхней газоразрядной камеры. Изменение конфигурации магнитного поляпозволяет управлять положением плазменного столба, в том числе создаватьширокуюобластьвблизипредполагаемогоместарасположенияобрабатываемых подложек. При давлениях более 1 мТор формированияпротяженного плазменного столба не происходит, причем длина яркосветящейся части разряда уменьшается с ростом давления.Было показано, что превышение некоторой критической для каждогонабора внешних условий величины магнитного поля B* приводит к переходуразряда в моду с низкой интенсивностью свечения или его погасанию (срывуразряда).
Причем пороговое значение B* смещается в сторону большихмагнитных полей при увеличении рабочего давления, рабочей частоты имощности ВЧ генератора.Для первичного исследования физических процессов в источнике плазмы16измерялось аксиальное распределение зондового ионного тока насыщения i+ взависимости от величины индукции внешнего магнитного поля B приразличных комбинациях внешних условий. Было показано, что в случаях,когда длина свободного пробега электрона была сопоставима или превышалагеометрически размеры источника, рост внешнего магнитного поля приводилк существенному изменению аксиального распределения i+. Так, при работе начастотах 4 и 13.56 МГц величина ионного тока насыщения в технологическойкамере с определенного значения B начинала превышать соответствующиезначения в ГРК, т.е.
наблюдался эффект «перекачки» ионного тока.Для количественного анализа эффекта перераспределения плазмы вобъеме источника было выбрано отношение максимального значенияионного тока насыщения в ГРК к ионному току в технологической камере,I ( z 16cm)I ( z 36cm)(2)а для оценки привлекательности конфигурации условий для последующихпрактических применений – абсолютная величина зондового ионного токанасыщения в технологическом объеме источника.Анализ экспериментальных данных показал, что наиболее существенноеувеличение происходит при увеличении рабочей частоты от 2 до 4 МГц, атакже при уменьшении рабочего давления. Изменение мощности ВЧгенератора слабо влияет на зависимость (B).
Наибольшие абсолютныезначениявi+областитехнологическойкамерыдостигаютсяприиспользовании рабочей частоты 4 МГц.Детальныезондовыеизмеренияподтвердилисуществованиеперераспределение параметров плазмы с увеличением магнитного поля вслучае, когда наблюдается формирование ограниченного в радиальномнаправлении плазменного столба. При этом было обнаружено, что в областисочленениягазоразряднойиспользованияитехнологическойкамерметаллическогоразделительногофланца,приусловиинаблюдаютсялокальные минимумы концентрации, температуры электронов и потенциала17пространства. Рост магнитного поля приводит к выравниванию аксиальногораспределения потенциала и параметров плазмы.Было выдвинуто предположение, что локальные минимуму в областисочленения камер связаны с формированием паразитной емкости междуантенной и разделительным фланцем. Для проверки указанной гипотезыразделительный металлический фланец был заменен на диэлектрический.Использование диэлектрического фланца привело к исчезновению провала ик увеличению концентрации плазмы в газоразрядной камере вследствиеисключения паразитного емкостного канала разряда.При условиях, когда не происходит формирования плазменного столба,что имеет место, когда длина свободного пробега мала, используется низкаярабочая частота или расходящаяся в области технологической камерыконфигурация внешнего магнитного поля, возникает градиент концентрацииот ГРК к технологической камере и сопутствующее распределениеамбиполярного потенциала, которое замедляет электроны и ускоряет ионы внаправленииотГРКктехнологическойкамере.Разностьмеждумаксимальным значением потенциала Vs в газоразрядной камере иминимальным значением Vs в технологической камере достигала 50 В, чтодолжно приводить к появлению быстрых ионов при z > 25 см.В четвертой главе приведены результаты экспериментального ичисленного исследования распределения продольной компоненты ВЧмагнитного поля Bz и тока Jz.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
