Диссертация (1105074), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Экспериментальные исследования аксиальногораспределения амплитуды и фазы Bz проводились для наиболее характерныхдля данной работы значений внешних условий – давления аргона 0.7 мТор,мощности ВЧ генератора 400 Вт и рабочих частот 2, 4 и 13.56 МГц.Рассмотрение аксиального распределения амплитуды и фазы продольнойкомпоненты ВЧ магнитного поля, измеренные при различных значенияхиндукции внешнего магнитного поля при работе на частоте 2 МГц показало,что при отсутствии магнитного поля величина Bz очень мала.
При значенияхвнешнего магнитного поля от 14 до 28.8 Гс Bz максимально в области антенны18и монотонно спадает в сторону технологической камеры, однако фаза Bzпрактически не изменяется. Это позволяет сделать вывод, что волна висточнике плазмы при этих условиях не формируется. Увеличение внешнегомагнитного поля до значения в 43.2 Гс ведет к снижению амплитуды Bz вобласти ГРК и формированию фазового профиля Bz, соответствующегослучаю бегущей волны в области, расположенной между антенной и нижнимфланцем.
Разность между фазами волны, измеренными у нижнего виткаантенны (z = 16 см) и нижнем фланцем, близка к 180.При увеличении рабочей частоты до 4 МГц было обнаружено, что приотсутствии внешнего магнитного поля амплитуда Bz аналогично случаю 2МГц мала. Увеличение величины B до 14.4 Гс также приводит к увеличениюамплитуды Bz в области локализации антенны. Однако при достижениизначений магнитного поля в 28.8 Гс ситуация кардинально меняется – вразряде начинает формироваться частично бегущая волна.
Об этомсвидетельствует немонотонная пространственная структура поля Bz сналичием ярко выраженных максимумов и минимумов, а также характерныйпрофиль фазы. Необходимо отметить, что изменение фазы вдоль осиисточника близко к 360о. Дальнейшее увеличение магнитного поля приводитк акцентированию характерных локальных максимумов и минимумовзависимости Bz(z), пока при магнитном поле 72 Гс не происходит срыв разряда.Увеличение рабочей частоты до 13.56 МГц приводит к формированиюдополнительных максимумов в аксиальном распределении амплитуды Вz.Пространственная структура ВЧ магнитного поля волны на оси источниканачинает формироваться уже при достижении внешним магнитным полемзначения в 14 Гс. Увеличение индукции внешнего поля более 14 Гс ведет кросту числа локальных максимумов и минимумов.
В целом, с ростом рабочейчастоты ВЧ генератора с 2 до 13.56 МГц наблюдается смещение границыначала формирования волновой структуры ВЧ полей Вz в область меньшихзначений внешнего магнитного поля.19Для описания экспериментальных данных было построено две модели,описывающих распространение и отражение волн в источнике плазмы. Впервом случае, предполагалось, что профиль амплитуды волны, возникающийв источникеплазмы, определяется суперпозициейосновнойволны,возбуждаемой узлом ввода ВЧ мощности, и волнами, возникающими врезультате отражения основной волны от торцевых металлических фланцевисточника плазмы, во втором, - рассматривалась стационарная задача,учитывающая отражение от промежуточной области.
При проведениирасчетов предполагалось постоянство параметров разряда в газоразрядной итехнологической камерах.Врезультатерасчетовбылополученохорошеесогласиеэкспериментальных и теоретических данных, а также было показано, что учетотражения от градиента концентрации в области сочленения камер ведет кзначительному улучшению согласия результатов расчетов с экспериментом.При этом в ходе счета было обнаружено, что для частоты 13.56 МГц урасчетных кривых, описывающих экспериментальные данные, с ростоммагнитного поля растет число длин полуволн n, укладывающихся на длинеисточнике плазмы (с n=2 для 14 Гс до n=4 для В>43 Гс). Таким образом, былопоказано, что в зависимости от величины внешнего магнитного поля волны вразряде возбуждаются различные пространственные моды.Для изучения влияния градиента концентрации в области соединения двухкамер на формирование волновой структуры в источнике плазмы былипроведены дополнительные экспериментальные исследования по измерениюаксиального распределения амплитуды и фазы Bz для случая оргстеклянногофланца В (4 МГц, 0.7 мТор аргона, 400 Вт).
Обнаружено, что в случаедиэлектрического фланца из оргстекла во всем диапазоне исследуемыхвнешних магнитных полей компонента Bz монотонного убывает по мерепродвижения из газоразрядной в технологическую камеру. Фаза при этом втехнологической камере в пределах погрешности эксперимента остаетсяпрактически неизменной. Таким образом, ни амплитудный, ни фазовый20профиль Bz не указывают в этом случае на формирование в источнике плазмычастично бегущей волны.Существенная зависимость распределения Bz от материала фланцапозволяет предположить, что условия возбуждения волн зависят от узла вводаВЧ мощности.
В случае оргстеклянного фланца узел ввода ВЧ мощностиблизок к каноническому соленоидальному индуктору. При использованииметаллического разделительного фланца В узел ввода ВЧ мощностиизменяется. Дополнительно к соленоидальному индуктору формируетсяпаразитная емкость между нижним витком антенны и фланцем.
Измеренияпоказали, что ВЧ разность напряжений между антенной и фланцем достигает240 В (на частоте 13.56 МГц).Рассмотрение распределения амплитуд Bz и Jz на оси источника втехнологической камере для случая 4 МГц, 0.7 мТор, 400 Вт показало, чтоувеличение индукции внешнего магнитного поля приводит к росту значенийВЧ магнитного поля и ВЧ тока в нижней камере. Последнее указывает навозможнуюсвязьэффектаперераспределенияплотностиплазмысвозбуждением и перераспределением электромагнитных волн в объемеисточника.В пятой главе приведены описание и результаты моделированияразряда PIC методом в программе KARAT [56]. Код KARAT позволяет решатьнестационарные электродинамические задачи со сложной геометрией,учитывающие динамику электронов, ионов. Математической моделью,лежащей в основе кода, являются уравнения Максвелла с граничнымиусловиями и уравнения движения заряженных частиц, для решения которыхиспользуется метод крупных частиц (PIC-метод).
В данной работеиспользовалась осесимметричная модель, в которой заданы 2 координаты (r,z) и учитываются 3 компоненты скорости частиц (ur, u, uz). В настоящей работемоделирование производилось для целого ряда моделей источника плазмы,которые можно разделить на однокамерный и двухкамерный случаи.21Расчетная область для случая однокамерного источника представляласобой цилиндр длиной 14 см и радиусом 3.5 см. Граница счетной областипредставляла собой идеальный проводник с нулевым потенциалом. Длинаоднокамерного источника плазмы в расчетах равнялась 11 см, радиус – 2 см.Боковые стенки и торцевая поверхность при z = 1.5 см источника плазмыявлялись диэлектриками.
Торцевая поверхность при z = 12.5 см являласьидеальным проводником, ее потенциал был равен нулю.Для случая двухкамерного источника плазмы расчетная областьпредставляла собой цилиндр длины 32 см и радиусом 4 см. Объем, занятыйплазмой, можно условно поделить на две области: с малым радиусом 2 см иаксиальной координатой z от 2 до 16 см и с большим радиусом 3 см икоординатой от 16 до 32 см.
Модели двухкамерного источника плазмыотличались типом материала верхнего и разделительного фланцев, а такженаличием дополнительного электрода вблизи антенны, моделирующегоемкостную связь между антенной и разделительным фланцем. Разрядвозбуждался током, текущим через трехвитковый индуктор, расположенныйна внешней боковой поверхности цилиндра. Рабочая частота тока былафиксирована и составляла 12.5 МГц. В случае двухкамерного источникаплазмы индуктор располагался на боковой поверхности малого цилиндра ибыл помещен в диэлектрик.Расчеты выполнялись при концентрациях аргона 3∙10 13 см-3.
В процессесчетарегистрировалиськомпонентыэлектромагнитногополяивысокочастотных токов в объеме, концентрации и кинетические энергииэлектронов и ионов, а также пространственные распределения амбиполярногопотенциала.При изучении зависимости параметров источника от величины внешнегомагнитного поля была обнаружена хорошая корреляция между радиальнымперераспределением плотности плазмы и ВЧ полей в объеме однокамерногоисточника плазмы. Исследования проводились в диапазоне 20-70 Гс с шагом10 Гс.
Было показано, что, что при наименьшем из рассмотренных магнитных22полей – 20 Гс, максимум концентрации в радиальном направлении достигаетсявблизи оси источника плазмы. Рост индукции приводит к тому, что радиальноераспределение электронов при В = 40–50 Гс сначала выравнивается вплоть доr=1 см, а затем при В = 70 Гс концентрация электронов вблизи оси разряда (r< 1 см) уменьшается по сравнению со значениями концентрации,полученными для r=1 см и r=1.3 см.
Рассмотрение радиальных зависимостейВЧ полей, рассчитанных для центрального сечения источника плазмыпоказало, что наибольшее значение имеет радиальная компонента ВЧэлектрического поля, что находится в согласии с теоретическими работами[42]. Вблизи оси источника плазмы продольные компоненты ВЧ полядостигают максимума при магнитном поле 30 Гс.Другим результатом моделирования однокамерного источника плазмы,является формирование с некоего порогового значения внешнего магнитногополя(40Гс)бегущейволныспреимущественнойкомпонентойэлектрического поля Er, которое можно соотнести с возбуждением в объемекосойленгмюровскойволны,длякоторойрадиальнаякомпонентаэлектрического поля максимальна.Входемоделированиядвухкамерногоисточникаплазмыбылоподтверждено формирование плазменного столба с ростом индукциивнешнего магнитного поля, в ходе которого наблюдалось перераспределениеплотностиплазмымеждуобъемамиисточника(газоразряднымитехнологическим).
Необходимо отметить, что в отличие от эксперимента, вкотором концентрация электронов в технологической камере превышалааналогичные значения в газоразрядной, в моделировании рост индукцииприводил сначала к смещению разряда в технологический объем, а затемвыравнивался вдоль оси источника. Данное обстоятельство можно связать стем фактом, что в моделировании магнитное поле выбиралось однороднымвдоль всего плазменного объема, в то время как в эксперименте в видуконфигурации магнитов, геометрия силовых линий в области ГРК являласьрасходящейся, что приводило к дополнительному уходу электронов на стенки23верхней камеры источника.Изучение влияния емкостной составляющей показало, что при наличиинаведенного вблизи разделительного фланца высокочастотного напряжения вобластисоединениядвухкамерформируетсяскачокпотенциалапространства, запирающий электроны и ускоряющий ионы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
