Поглощение ВЧ мощности плазмой индуктивного разряда, помещенного в магнитное поле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Павлов, Владимир Борисович

• Павлов, Владимир Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Павлов, Владимир Борисович

ft Введение.

Научная новизна работы.

Основные положения работы, выносимые на защиту.

Практическая ценность работы.

Апробация диссертации.

Структура и объем диссертации.

Глава 1 Обзор литературы.

1.1 Устройства, работающие на индуктивном ВЧразряде.

1.1.1 Устройства, работающие на индуктивном В Чразряде без магнитного поля.

1.1.2 Устройства, работающие на индуктивном ВЧ разряде, помещенном во внешнее магнитное поле.

1.2 Индуктивный В Чразряд без внешнего магнитного поля.

1.2.1 Проникновение ВЧ полей в плазму.

1.2.2 Поглощение ВЧ мощности плазмой.

1.3 Индуктивный ВЧ разряд, помещенный во внешнее магнитное поле, близкое к электронному циклотронному резонансу.

1.3.1 Проникновение В Ч полей в плазму и исследование их поглощения

1.4 Индуктивный ВЧ разряд, помещенный во внешнее магнитное поле, способствующее возбуждению геликонов и волн Трайвелписа-Голда.

1.4.1 Проникновение ВЧ полей в плазму и анализ механизма поглощения В Ч мощности плазмой.

1.5 Выводы.

1.6 Понятие эквивалентного сопротивления плазмы.

1.7 Цель работы и постановка задачи.

Глава 2 Условия экспериментов и методики измерений.

2.1 Экспериментальные установки.

2.2 Условия экспериментов.

2.3 Методики измерений.

2.3.1 Зондовые измерения. f* 2.3.2 Оптические измерения.

2.3.2.1 Методика определения эффективной температуры быстрых электронов по отношению интенсивности спектральных линий.

2.3.2.2 Методика определения пространственного распределения плотности плазмы по пространственному распределению интенсивности её свечения.

2.3.3 Измерение ВЧ тока.

2.3.4 Определение эквивалентного сопротивления.

Глава 3 Исследование индуктивного ВЧ разряда при наличии однородного магнитного поля и в его отсутствии.

3.1 Случай однородного магнитного поля.

3.1.1 Особенности поведения индуктивного В Чразряда при наложении внешнего магнитного поля.

3.1.2 Результаты определения параметров плазмы.

3.1.3 Результаты измерения величины мощности, поглощенной плазмой.

3.2 Исследование эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного В Ч разряда при отсутствии магнитного поля.

3.2.1 Экспериментальное изучение поведения эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного В Чразряда при отсутствии магнитного поля.

3.2.2 Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов.

3.3 Исследование эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного ВЧ разряда при наличии магнитного поля.

3.3.1 Зависимость эквивалентного сопротивления от типа антенны.

3.3.2 Зависимость эквивалентного сопротивления от величины внешнего магнитного поля.

3.3.3 Зависимость эквивалентного сопротивления от геометрических размеров источника плазмы.

3.3.4 Зависимость эквивалентного сопротивления от рода газа.

3.4 Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов. 3.5 Исследование пространственного перераспределения параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда при наложении внешнего магнитного поля.

Глава 4 Индуктивный разряд в неоднородном магнитном поле.

4.1 Результаты определения доли мощности, поглощенной плазмой.

4.2 Случай расходящегося магнитного поля.

4.3 Случай магнитного поля с нейтральным контуром.

4.4 Случай однородного магнитного поля.

4.5 Случай сходящегося магнитного поля.

4.6 Обсуждение результатов.

Глава 5 Разработка перспективной модели ВЧ источника плазмы

5.1 Типичная конструкция В Ч источника плазмы. Методика эксперимента.

5.2 Результаты экспериментов.

5.2.1 Обеспечение ввода ВЧ мощности в плазму.

5.2.2 Получение максимального тока ионов при заданном уровне В Ч мощности.

5.2.3 Формирование заданного распределения плотности плазмы и плотности ионного тока в пучке.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поглощение ВЧ мощности плазмой индуктивного разряда, помещенного в магнитное поле»

Актуальность темы.

Диссертация посвящена исследованию поглощения ВЧ мощности промышленной

ТУ частоты/,=13,56МГц индуктивным разрядом, помещенным во внешнее магнитное поле. ВЧ индуктивные плазменные реакторы и источники ионов низкого давления уже в течение нескольких десятилетий являются важнейшей составляющей современных земных и космических технологий. Широкому распространению технических применений индуктивного ВЧ разряда способствуют его основные достоинства -возможность получения высокой концентрации электронов при относительно невысоком уровне ВЧ мощности, отсутствие контакта плазмы с металлическими электродами, небольшие температуры электронов, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Очевидно, что развитие ионно-пучковых и плазменных технологий неизбежно приводит к повышению требований к возможностям и параметрам источников ионов и плазмы, дает новый толчок к переосмыслению концепций и усовершенствованию плазменных устройств. Такая работа может быть выполнена только на основе детального понимания физических процессов, происходящих в индуктивном ВЧ разряде.

Одной из центральных задач физики индуктивного разряда является исследование механизмов поглощения ВЧ мощности плазмой. Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За эти годы накоплен огромный экспериментальный материал, посвященный исследованию свойств разряда, построен ряд теоретических моделей, описывающих физику поглощения ВЧ мощности плазмой. Однако, в последние годы появились публикации, показывающие, что большинство экспериментальных работ содержит систематическую ошибку, связанную с тем, что не учитываются потери ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы. А эти потери, при некоторых условиях, могут быть значительными, что неизбежно приводит к необходимости пересмотра всей ранее собранной базы экспериментальных данных, получения новых данных и проведения их детального сравнения с выводами теории.

В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников плазмы — традиционные источники плазмы без магнитного поля, где разряд возбуждается спиральной антенной, а также источники плазмы, помещенные в магнитное поле. Это источники, основанные на электронном циклотронном резонансе и возбуждении т? геликонов и волн Трайвелписа-Голда. В двух последних случаях эффекты, связанные с влиянием внешней цепи, практически не исследованы. Кроме того, до сих пор открытыми остаются вопросы о механизмах поглощения ВЧ мощности плазмой. В связи с этим тема диссертационной работы представляется актуальной.

Научная новизна работы.

1. Впервые выполнен сравнительный анализ эффективности поглощения ВЧ мощности частоты то плазмой при различных величинах и конфигурациях магнитного поля, давлении и роде рабочего газа, геометрических размерах источников плазмы.

2. Проанализированы механизмы поглощения ВЧ мощности при различных значениях магнитного поля, давлении и роде рабочего газа, геометрических размерах источников плазмы. Определены доминирующие механизмы поглощения ВЧ мощности плазмой.

3. Получены данные о пространственном перераспределении параметров при изменении величины и конфигурации магнитного поля, геометрических размеров источников плазмы.

4. Подтвержден известный из теории вывод о том, что в условиях магнитного поля с нейтральным контуром в областях, где величина магнитного поля соответствует условиям электронно-циклотронного резонанса при отсутствии кулоновских столкновений происходит локальный нагрев электронов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. В индуктивном разряде без магнитного поля эффективность вложения определяется двумя факторами: концентрацией электронов и размером области, где происходит поглощение ВЧ мощности. Размер области поглощения определяется объемом скин-слоя. В отсутствие магнитного поля и при Р~2мТор участвует как столкновительный, так и бесстолкновительный механизм поглощения ВЧ мощности плазмой. При увеличении давления вклад столкновительного механизма растет.

2. В индуктивном ВЧ разряде при наличии магнитного поля основным механизмом поглощения ВЧ мощности является бесстолкновительный черенковский механизм поглощения энергии волны Трайвелписа-Голда. В условиях наиболее эффективного поглощения мощность вкладывается в центральные области разряда. При давлениях Р>10мТор поглощение определяется столкновительным механизмом.

3. В области резонансного поглощения геликонов и волн Трайвелписа-Голда ВЧ поля проникают вглубь разрядного объема. При магнитных полях, превышающих область резонансного возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда ввод ВЧ мощности осуществляется в пристеночной области источника плазмы.

4. Наложение неоднородного магнитного поля влияет на способность плазмы поглощать ВЧ мощность и приводит к существенному перераспределению концентрации плазмы по объему источника. В условиях магнитного поля с нейтральным контуром в областях, где его величина соответствует условиям ЭЦР, при отсутствии кулоновских столкновений происходит локальный нагрев электронов.

5. Величина и топология магнитного поля, размер источника плазмы, форма антенны и давление газа влияют на эффективность вложения ВЧ мощности, пространственное распределение концентрации и температуры электронов в плазме индуктивного ВЧ разряда.

Практическая ценность работы:

Результаты, полученные в настоящей диссертации, позволили сформулировать рекомендации, необходимые для разработки источников ионов и плазменных реакторов.

Апробация диссертации.

Основные результаты работы обсуждались на семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ и докладывались на следующих конференциях:

1. XXIII Internation Conference on Phenomena in Ionized Gases, July 1997, Toulouse -France.

2. XXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 2001 Nagoya, Japan.

3. 30-я Звенигородская конференция по физике плазмы, Звенигород, 24—28 февраля, 2003 г.

4. Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, 18-25 апреля, 2003.

5. IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, September 15-19, 2003.

6. Российская конференция по физической электронике. Махачкала, 23-26 сентября 2003г.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Павлов, Владимир Борисович

Выводы.

1. Исследована эффективность вложения ВЧ мощности в индуктивный разряд без магнитного поля. Показано, что эффективность вложения определяется двумя факторами: концентрацией электронов и размером области, где происходит поглощение ВЧ мощности. Размер области поглощения определяется объемом скин-слоя. В случае расположения антенны на торцевой поверхности источника плазмы эффективность вложения мощности не зависит от длины источника при условии, что длина разрядной камеры превышает толщину скин-слоя. При увеличении мощности эффективность ее ввода сначала растет, а затем насыщается вследствии конкуренции двух факторов: роста поглощения с увеличением концентрации электронов и ухудшения поглощения с уменьшением толщины скин-слоя. Показано, что в отсутствие магнитного поля и при Р~2мТор участвует как столкновительный, так и бесстолкновительный механизм поглощения ВЧ мощности плазмой. При увеличении давления вклад столкновительного механизма растет.

2. Проведены исследования эффективности ввода ВЧ мощности в плазму при наличии магнитного поля. Показано, что при давлении р<10мТор эквивалентное сопротивление плазмы с ростом магнитного поля сначала возрастает, затем, пройдя через ряд локальных максимумов, падает. Падение эквивалентного сопротивления приводит к срыву разряда. Немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от магнитного поля определяется резонансами возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда. Основным механизмом поглощения ВЧ мощности является бесстолкновительный черенковский механизм поглощения энергии волны Трайвелписа-Голда. В условиях наиболее эффективного поглощения мощность вкладывается в центральные области разряда. При давлениях Р>ЮмТор поглощение определяется столкновительным механизмом.

3. В области резонансного поглощения геликонов и волн Трайвелписа-Голда ВЧ поля проникают вглубь разрядного объема. При магнитных полях, превышающих область резонансного возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда ввод ВЧ мощности осуществляется в пристеночной области источника плазмы, при этом эффективность вложения мощности понижается.

4. Наложение неоднородного магнитного поля влияет на способность плазмы поглощать ВЧ мощность и приводит к существенному перераспределению концентрации плазмы по объему источника. В условиях магнитного поля с нейтральным контуром в областях, где его величина соответствует условиям ЭЦР при отсутствии кулоновских столкновений происходит локальный нагрев электронов.

В работе определены факторы, а именно величина и топология магнитного поля, размер источника плазмы, форма антенны, давление газа, изменение которых позволяет управлять эффективностью вложения ВЧ мощности, пространственным распределением концентрации и температуры электронов в плазме индуктивного ВЧ разряда. Эффективный ввод мощности в плазму достигается с внешним магнитным полем, соответствующим резонансному возбуждению геликонов и волн Трайвелписа-Голда. При необходимости получения высокой концентрации на выходе источника целесообразно использовать сходящееся магнитное поле. Наиболее равномерное распределение параметров плазмы на выходе источника обеспечивается при использовании магнитного поля с нейтральным контуром.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11

12

13

14:

15

16

17

18

19.

20

21

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Павлов, Владимир Борисович, 2005 год

1. R.B. Piejak, V.A. Godyak, and В.М Alexandrovich, Plasma Sources. Sci. Technol, 1992, 1, 179.

2. V.A. Godyak, R.B. Piejak, and B.M Alexandrovich, Plasma Sources. Sci.Technol., 1994, 3, 169-176.

3. V.A. Godyak, R.B. Piejak, and B.M Alexandrovich, J. ofAppl. Phis., 1999, 85, 2, 703 -712.

4. Гинзбург В. Л., Рухадзе А. А. Волны в магнитоактивной плазме, 1970, Наука. Вавилин К.В., Плаксин В.Ю., Ри М.Х., Рухадзе А.А. Физика плазмы, 2004, 30, №5. F.F. Chen, Plasma Phys. Contr. Fusion, 1991, 33,4, p.339.

5. А.В. Арсенин, В.Г. Лейман, В.П. Тараканов, Краткие сообщения по физике ФИАН, 2003, 4, стр. 19-29.

6. Chen W., Sugita К., Morikawa Y., Yasunami S., Hayashi Т., Uchida Т., J. Vac. Sci. Technol, 2001, A, 19, pp.2936-2940. Thomson J.J. Phil. Mag., 1891, 32, pp.321-36 Hittorf W. Ann. Phys. Chem., 1884, 21, pp.90-139.

7. Stevens J.E., Electron Cyclotron Resonance Plasma Sources, in High Density Plasma Sources, edited by Oleg A.Popov, 1996, pp.312 379. Uchiba Т., Jpn. J. Appl. Phys., 1994, 33, L43 - L44.

8. Tsuboi H., Itoh M., Hayashi Т., Uchiba Т., Japan. J. Appl. Phys., 1995, 33, pp.2476 -2481.

9. Yoshida Z. and Uchiba Т., Japan. J. Appl. Phys., 1995, 34, pp.4213 4216.22.