Высокочастотный индукционный разряд: условия горения, конструкция и область применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЧ - индукционный разряд: условия горения, конструкция и область применения

Введение

Одним из важнейших вопросов организации плазменных технологических процессов является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, оптимальными для данной технологии, например: высокой однородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, концентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболее перспективными для применения в промышленных технологиях являются высокочастотные (ВЧ) источники плазмы, так как, во-первых, с их помощью можно обрабатывать как проводящие, так и диэлектрические материалы, а во- вторых, в качестве рабочих газов можно использовать не только инертные, но и химически активные газы. Сегодня известны источники плазмы, основанные на емкостном и индуктивном ВЧ-разрядах. Особенностью емкостного ВЧ-разряда, наиболее часто используемой в плазменных технологиях, является существование при электродных слоев объемного заряда, в которых формируется среднее по времени падение потенциала, ускоряющего ионы в направлении электрода. Это позволяет обрабатывать с помощью ускоренных ионов образцы материалов, расположенные на электродах ВЧ-емкостного разряда. Недостатком источников емкостного ВЧ-разряда является относительно низкая концентрация электронов в основном объеме плазмы. Значительно более высокая концентрация электронов при тех же ВЧ-мощностях характерна для индуктивных ВЧ-разрядов.

Индуктивный ВЧ-разряд известен уже более ста лет. Это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника плазмы. Еще в 1891 г. Дж. Томсон высказал предположение о том, что индуктивный разряд вызывается и поддерживается вихревым электрическим полем, которое создается магнитным полем, в свою очередь, индуцируемым током, текущим по антенне. В 1928-1929 гг., полемизируя с Дж. Томсоном, Д. Таунсенд и Р. Дональдсон высказали идею о том, что индуктивный ВЧ-разряд поддерживается не вихревыми электрическими полями, а потенциальными, появляющимися благодаря наличию разности потенциалов между витками индуктора. В 1929 г. К. Мак-Кинтон [5] экспериментально показал возможность существования двух режимов горения разряда. При малых амплитудах ВЧ-напряжения разряд действительно возникал под действием электрического поля между витками катушки и носил характер слабого продольного свечения вдоль всей газоразрядной трубки. С увеличением амплитуды ВЧ-напряжения свечение становилось ярче и наконец возникал яркий кольцевой разряд. Свечение, вызванное продольным электрическим полем, при этом исчезало. Впоследствии эти две формы разряда были названы Е- Н - разрядом соответственно.

Области существования индуктивного разряда можно условно разделить на две большие области [6]: это высокие давления (порядка атмосферного давления), при которых генерируемая плазма близка к равновесной, и низкие давления, при которых генерируемая плазма является неравновесной.

Периодические разряды. Плазма ВЧ и СВЧ разрядов. Виды высокочастотных разрядов

Для возбуждения и поддержания тлеющего разряда постоянного тока необходимо, чтобы два проводящих (металлических) электрода находились в непосредственном контакте с зоной плазмы. С технологической точки зрения такая конструкция плазмохимического реактора является не всегда удобной. Во-первых, при проведении процессов плазменного нанесения диэлектрических покрытий непроводящая пленка может также образовываться и на электродах. Это приведет к увеличению нестабильности разряда и в конечном итоге к его затуханию. Во-вторых, в реакторах с внутренними электродами всегда существует проблема загрязнений целевого процесса материалами, удаляемыми с поверхности электрода в ходе физического распыления или химических реакций с частицами плазмы. Избежать этих проблем, в том числе и полностью, отказаться от использования внутренних электродов, позволяет использование периодических разрядов, возбуждаемых не постоянным, а переменным электрическим полем.

Основные эффекты, имеющие место в периодических разрядах, определяются соотношениями между характерными частотами плазменных процессов и частотой приложенного поля. Целесообразно рассмотреть три характерных случая:

Низкие частоты. При частотах внешнего поля до 10² - 10³ Гц ситуация близка к реализуемой в постоянном электрическом поле. Однако если характерная частота гибели зарядов v_d меньше частоты поля w(v_d?w), заряды после изменения знака поля успевают исчезнуть раньше, чем величина поля достигнет значения достаточного для поддержания разряда. Тогда разряд будет дважды гаснуть и поджигаться за период изменения поля. Напряжение повторного зажигания разряда должно зависеть от частоты. Чем выше частота, тем меньшая доля электронов успеет исчезнуть за время существования поля, недостаточного для поддержания разряда, тем ниже потенциал повторного зажигания. На низких частотах после пробоя соотношение между током и напряжением горения отвечает статической вольтамперной характеристике разряда (рис. 1, кривая 1). Параметры разряда “отслеживают” изменения напряжения.

Промежуточные частоты. При увеличении частоты, когда характерные частоты плазменных процессов соизмеримы и несколько меньше частоты поля (v_d?w), состояние разряда не успевает “следить” за изменением питающего напряжения. В динамической ВАХ разряда появляется гистерезис (рис. 1, кривая 2).

Высокие частоты. При выполнении условия < v_d<<w за полупериод состояние разряда не успевает измениться, при этом концентрация электронов также практически не меняется. Динамическая ВАХ становится линейной (рис. 1, кривая 3). Если к тому же расстояние, проходимое электронами в направлении поля, много меньше расстояния между электродами, то последние уже не играют роли в поддержании разряда.

Рис. 1. Вольтамперные характеристики периодических разрядов: 1-статическая ВАХ, 2 - ВАХ в переходной области частот, 3 - установившаяся динамическая ВАХ

Существует множество видов электрических разрядов в газе в зависимости от характера приложенного поля (постоянное электрическое поле, переменное, импульсное, (ВЧ), сверх высоко частотные (СВЧ)), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п.

Для ВЧ-разрядов существуют следующие способы возбуждения: 1) емкостной при частотах менее 10 кГц, 2) индукционный при частотах в диапазоне 100 кГц - 100 Мгц. Данные способы возбуждения подразумевают использование генераторов данных диапазонов. При емкостном способе возбуждения электроды могут быть установлены внутри рабочей камеры или снаружи, если камера изготовлена из диэлектрика (рис.2 а,б). Для индукционного способа применяются специальные катушки, количество витков которых зависит от используемой частоты (рис.2 в).

а) б) в)

Рис.2

ВЧ индукционный разряд

Высокочастотны индукционный (безэлектродные) разряд в газах известно еще с конца прошлого столетия. Однако полностью понять его удалось не сразу. Индукционный разряд легко наблюдать, если внутрь соленоида, по которому течет достаточно сильный ток высокой частоты, поместить откачанный сосуд. Под действием вихревого электрического поля, которое индуцируется переменным магнитным потоком, в остаточном газе возникает пробой и зажигается разряд. На поддержание разряда (ионизации) затрачивается Джоулево тепло кольцевых индукционных токов, текущих в ионизованном газе вдоль силовых линий вихревого электрического поля (магнитные силовые линии внутри длинного соленоида параллельны оси; рис. 3).

Рис.3 Схема полей в соленоиде

Среди старых работ по безэлектродному разряду наиболее обстоятельные исследования принадлежат Дж.Томсону 2, который, в частности, экспериментально доказал индукционную природу разряда и вывел теоретические условия зажигания: зависимость порогового для пробоя магнитного поля от давления газа (и частоты). Подобно кривым Пашена для пробоя разрядного промежутка в постоянном электрическом поле кривые зажигания имеют минимум. Для практического диапазона частот (от десятых долей до десятков мегагерц) минимумы лежат в области низких давлений; поэтому разряд обычно и наблюдался только в сильно разреженных газах.

Условия горения ВЧ - индукционного разряда

Индуктивный ВЧ-разряд -- это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника плазмы (рис. 4а, б). Центральным вопросом физики индуктивного разряда низкого давления является вопрос о механизмах и эффективности поглощения ВЧ-мощности плазмой. Известно [39], что при чисто индуктивном возбуждении ВЧ-разряда его эквивалентную схему можно представить в виде, изображенном на рис. 1г. ВЧ- генератор нагружен на трансформатор, первичная обмотка которого состоит из антенны, по которой течет ток, создаваемый генератором, а вторичной обмоткой является ток, индуцированный в плазме. Первичная и вторичная обмотки трансформатора связаны коэффициентом взаимной индукции М. Трансформаторную схему можно легко свести к схеме, представляющей собой последовательно соединенные активное сопротивление и индуктивность антенны, эквивалентные сопротивления и индуктивность плазмы (рис. 4д), так что мощность ВЧ-генератора P_gen оказывается связанной с мощностью P_ant выделяемой в антенне, и мощностью Р_р1, выделяемой в плазме, выражениями

где I -- ток, текущий через антенну, P_ant -- активное сопротивление антенны, R_p1 -- эквивалентное сопротивление плазмы.

Из формул (1) и (2) видно, что когда нагрузка согласована с генератором, активная ВЧ-мощность Pgen, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, распределяется между двумя каналами, а именно: одна часть мощности идет на нагрев антенны, а другая часть поглощается плазмой. Ранее в подавляющем числе работ a priori полагалось, что в условиях экспериментов

R_pl > R_antvv (3)

и свойства плазмы определяются мощностью ВЧ-гене- ратора, полностью поглощаемой плазмой. В середине 1990-х годов В. Годяк с сотрудниками убедительно показали [40], что в разрядах низких давлений соотношение (3) может нарушаться. Очевидно, что при условии

R_pi ? R_ant (4)

поведение индуктивного ВЧ-разряда кардинально меняется.

Рис. 4. Схемы (а, б) индуктивных источников плазмы и (в) индуктивного источника плазмы с емкостной компонентой, (г, д) эквивалентные схемы чисто индуктивного разряда.

Теперь параметры плазмы зависят не только от мощности ВЧ-генератора, но и от эквивалентного сопротивления плазмы, которое, в свою очередь, зависит от параметров плазмы и условий ее поддержания. Это приводит к появлению новых эффектов, связанных с самосогласованным перераспределением мощности во внешней цепи разряда. Последнее может существенно сказываться на эффективности работы источников плазмы. Очевидно, что ключ к пониманию поведения разряда в режимах, соответствующих неравенству (4), а также к оптимизации работы плазменных устройств лежит в закономерностях изменения эквивалентного сопротивления плазмы при изменении параметров плазмы и условий поддержания разряда.

Конструкция ВЧ - индукционного разряда

Основы для современных исследований и применений безэлектродных разрядов были заложены работами Г. И. Бабата, которые проводилисьперед самой войной на Ленинградском электроламповом заводе ?Светлана?. Эти работы были опубликованы в 1942 г. 3 и стали широко известны за рубежом после публикации в Англии в 1947 г. 4. Бабат создал высокочастотные ламповые генераторы с мощностями порядка сотни киловатт, что позволило ему получать мощные безэлектродные разряды в воздухе при давлениях вплоть до атмосферного. Бабат работал в диапазонечастот 3--62 Мгц, индукторы состояли из нескольких витков диаметром порядка 10 см. В разряд высокого давления вводилась огромная по тому времени мощность до нескольких десятков киловатт (впрочем, такие величины являются высокими и для современных установок). ?Пробить? воздух или другой газ при атмосферном давлении, конечно, не удавалось даже при самых больших токах в индукторе, поэтому для зажигания разряда приходилось принимать специальные меры. Проще всего было возбуждать разряд при низком давлении, когда пробивные поля невелики, а затем постепенно повышать давление, доводя его до атмосферного. Бабат отмечал, что при протекании газа через разряд последний может быть погашен, если дутье слишком интенсивно. При больших давлениях был обнаружен эффект контрагирования, ф е. отрыва разряда от стенок разрядной камеры. В 50-х годах появилось несколько статей по безэлектродному разряду 5~7. Кабанн 5 исследовал разряды в инертных газах при низких давлениях от 0,05 до 100 мм рт. ст. и небольших мощностях до 1 кет на частотах 1--3 Мгц, определял кривые зажигания, калориметрическим методом измерял мощность, вводимую в разряд, с помощью зондов измерял электронные концентрации. Кривые зажигания во многих газах были также получены в 7. В работе 6 делалась попытка использовать разряд для ультрафиолетовой спектроскопии. Безэлектродная плазменная горелка, к которой очень близки нынешние установки, была сконструирована Ридом в 1960 г. 8. Схема и фотография ее показаны на рис. 2. Кварцевую трубку диаметром 2,6 см охватывал пятивитковый индуктор, сделанный из медной трубки с расстоянием между витками 0,78 см. Источником питания служил промышленный высокочастотный генератор с максимальной выходной мощностью 10 кет; рабочая частота 4 Мгц. Для поджигания разряда использовался подвижной графитовый стержень. Стержень, вдвинутый в индуктор, разогревается в высокочастотном поле и эмиттирует электроны. Нагревается и расширяется окружающий газ, и в нем происходит пробой. После зажигания стержень удаляется, а разряд продолжает гореть. Наиболее существенным моментом в этой установке было использо- вание тангенциальной подачи газа. Рид указывал, что образовавшаяся плазма должна достаточно быстро распространяться против потока газа, стремящегося ее снести. В противном случае разряд погаснет, как это происходит с нестабилизированными пламенами. При малых скоростях потока поддержание плазмы может обеспечивать обычная теплопроводность. (Роль теплопроводности в разрядах высокого давления отмечал и Кабанн 5).) Однако при больших скоростях подачи газа необходимо принимать меры для рециркуляции части плазмы. Удовлетворительным решением этой задачи явилась примененная Ридом вихревая стабилизация, при которой газ подается в трубку по касательной и протекает через нее, совершая винтовое движение. Вследствие центробежного разбегания газа в приосевой части трубки образуется столб пониженного давления. Осевого течения здесь почти нет, и часть плазмы засасывается вверх по потоку. Чем больше скорость подачи, тем выше против потока проникает светящаяся плазма. Кроме того, при таком способе подачи газ протекает вдоль трубки в основном у ее стенок, отжимает разряд от стенок и изолирует последние от разрушительного действия высоких температур, что дает возможность работать при повышенных мощностях. Эти качественные соображения, кратко высказанные Ридом, очень важны для понимания явлений, хотя они, быть может, и не вполне точно отображают существо дела. К вопросу о поддержании плазмы, который представляется самым серьезным при рассмотрении стационарного стабилизированного разряда в потоке газа, мы еще вернемся ниже, в гл. IV.

Рид работал с аргоном и со смесями аргона с гелием, водородом, кислородом, воздухом. Он отмечал, что легче всего поддерживать разряд в чистом аргоне. Расходы аргона составляли 10--20 л/мин (средниепо сечению трубки скорости газа 30--40 см/сек) при введении в разряд мощностей 1,5--3 кет, составляющих примерно половину мощности, потребляемой генератором. Рид определял баланс энергии в плазмотроне и оптическим методом измерял пространственное распределение температуры в плазме.

Он опубликовал еще несколько статей: о мощных индукционных разрядах при низких давлениях 9, об измерениях теплопередачи к зондам, внесенным в различные точки плазменного факела10, о выращивании кристаллов тугоплавких материалов с помощью индукционной горелки и.

Индукционная плазменная горелка, похожая по своей конструкции на ридовскую, была несколько позднее описана в работах Ребу4 5 ' 4 6.Ребу использовал ее для выращивания кристаллов и изготовления сферических частиц тугоплавких материалов.

Начиная примерно с 1963 г., в нашей и зарубежной печати появляется много работ, посвященных экспериментальному исследованию индукционных разрядов высокого давления как в замкнутых сосудах, так и в потоке газа1 2-3 3 ЃE 4 0-4 4-5 3 ЃE 8 0.

Измеряются пространственные распределения температуры в области разряда и в плазменном факеле, распределения электронных концентраций. Здесь, как правило, используются известные оптические, спектральные и зондовые методы, обычно применяемые при исследовании плазмы дуговых разрядов. Измеряются мощности, вкладываемые в разряд, при разных напряжениях на индукторе, разных расходах газа, различные зависимости параметров для разных газов, частот и т. д. Трудно установить какие-то единые зависимости, скажем, температуры плазмы от мощности, вкладываемой в разряд, так как все зависит от конкретных условий: диаметра трубки, геометрии индуктора, скорости подачи газа и т. д. Общим результатом многих работ является вывод о том, что при мощности порядка нескольких или десятка киловатт температура аргоновой плазмы достигает примерно 9000--10 000° К.

Распределение температуры в основном имеет характер ?плато? в середине трубки и резко спадает вблизи стенок, однако ?плато? не совсем ровное, в центральной части получается небольшой провал величиной обычно в несколько сотен градусов. В других газах температуры также порядка 10 000°, в зависимости от рода газа и других условий. В воздухе температуры получаются более низкими, чем в аргоне при той же мощности, и, наоборот, для достижения тех же температур требуются в несколько раз большие мощности 31. Температура немного растет с ростом мощности и слабо зависит от расхода газа. На рис. 3 и 4 приведены для иллюстрации распределения температуры по радиусу, поле температур (изотермы), распределения электронных концентраций. Опыты27 показали, что при увеличении скорости подачи и расхода газа (при тангенциальной подаче) разряд все больше отжимается от стенок и радиус разряда изменяется примерно от 0,8 до 0,4 радиуса трубки. При увеличении расхода газа несколько уменьшается и вклады- ваемая в разряд мощность, что связано с уменьшением радиуса разряда, т. е. потока или расхода плазмы. При разрядах в замкнутых сосудах, без протока газа, светящаяся область разряда обычно очень близко подступает к боковым стенкам сосуда. Измерения электронных концентраций показали, что состояние плазмы при атмосферном давлении близко к. термодинамически равновесному. Измеренные концентрации и температуры с удовлетворительной точностью укладываются в уравнение Саха.

Индукционный ВЧ - разряд

В настоящее время известны источники плазмы низкого давления, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде, в отсутствие магнитного поля, а также на индуктивном ВЧ-разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией, соответствующей условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) и условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа - Голда (ТГ) (далее называемых геликонными источниками).

Известно, что в плазме индуктивного разряда ВЧ-электрические поля скинируются, т.е. нагрев электронов осуществляется в узком пристеночном слое. При приложении к плазме индуктивного ВЧ-разряда внешнего магнитного поля появляются области прозрачности, в которых ВЧ-поля проникают вглубь плазмы и нагрев электронов осуществляется во всем ее объеме. Этот эффект использован в источниках плазмы, принцип действия которых основан на ЭЦР. Такие источники работают главным образом в микроволновом диапазоне (2,45 ГГц) [10]. Микроволновое излучение вводится, как правило, через кварцевое окно в цилиндрическую газоразрядную камеру, в которой с помощью магнитов формируется неоднородное магнитное поле. Магнитное поле характеризуется наличием одной или нескольких резонансных зон, в которых выполняются условия ЭЦР и происходит ввод ВЧ-мощности в плазму. В радиочастотном диапазоне ЭЦР используется в так называемых источниках плазмы с нейтральным контуром [11-16]. Существенную роль в генерации плазмы и формировании структуры разряда играет нейтральный контур, представляющий собой непрерывную последовательность точек с нулевым магнитным полем. Замкнутый магнитный контур формируется с помощью трех электромагнитов. Токи в обмотках верхней и нижней катушек имеют одинаковое направление. Ток средней катушки течет в обратном направлении. ВЧ-индукционный разряд с нейтральным контуром характеризуется высокой плотностью плазмы (10¹¹ - 10¹² см~³) и низкой температурой электронов (1 -4 эВ).

Индуктивный разряд без внешнего магнитного поля

В качестве независимой переменной по оси абсцисс отложена мощность P_pi, поглощенная плазмой. Естественно предположить, что плотность плазмы п_е пропорциональна P_pi, однако следует отметить, что для различных источников плазмы коэффициенты пропорциональности между P_pi и п_е будут различаться. Как видно, общей тенденцией поведения эквивалентного сопротивления R_pi является его возрастание в области относительно небольших значений вложенной мощности, а затем его насыщение.

Напротив, в области высоких концентраций электронов, где преобладает бесстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скин-эффекта, зависимость R_pl(n_e) близка к полученной для сред с сильной пространственной дисперсией [42, 45]. В целом, немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от плотности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, поглощение ВЧ-мощности возрастает с увеличением концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ-мощности, убывает с увеличением п_е.

Теоретическая модель источника плазмы [42, 45], возбуждаемого спиральной антенной, расположенной на его верхней торцевой поверхности, предсказывает отсутствие зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от длины источника плазмы при условии, что глубина скин-слоя меньше, чем длина источника плазмы. Физически этот результат очевиден, так как поглощение ВЧ-мощности происходит в пределах скин-слоя. В условиях экспериментов глубина скин-слоя заведомо меньше длины источников плазмы, поэтому неудивительно, что эквивалентное сопротивление плазмы источников, оснащенных верхней торцевой антенной, не зависит от их длины. Напротив, в случае расположения антенны на боковой поверхности источников увеличение длины источника, сопровождающееся одновременным увеличением длины антенны, приводит к увеличению области, в которой происходит поглощение ВЧ-мощности, т.е. к удлинению скин-слоя, поэтому в случае боковой антенны эквивалентное сопротивление возрастает с увеличением длины источника.

Эксперименты и расчеты показали, что при низких давлениях абсолютные значения эквивалентного сопротивления плазмы невелики. Увеличение давления рабочего газа приводит к существенному повышению эквивалентного сопротивления. Этот эффект многократно отмечался как в теоретических, так и в экспериментальных работах [40, 42, 46-48]. Физическая причина увеличения способности плазмы поглощать ВЧ-мощность при возрастании давления лежит в механизме поглощения ВЧ-мощности. Как видно из рис. 5, при минимальном из рассмотренных давлений, р -- 0,1 мторр, преобладающим является черенковский механизм диссипации. Электрон-атомные столкновения практически не оказывают влияния на величину эквивалентного сопротивления, а электрон-ионные столкновения приводят лишь к незначительному повышению эквивалентного сопротивления при п_е > 3 х 10¹¹ см--³. Увеличение давления, т.е. частоты электрон-атомных столкновений, приводит к возрастанию эквивалентного сопротивления вследствие повышения роли столкновительного механизма поглощения ВЧ-мощности. Это видно из рис. 5, на котором показано отношение эквивалентного сопротивления, рассчитанного с учетом столкновительного и бесстол- кновительного механизмов поглощения, к эквивалентному сопротивлению, рассчитанному только с учетом столкновений.

Рис. 5. Зависимость отношения эквивалентного сопротивления Rpi, рассчитанного с учетом столкновительного и бесстолкновительного механизмов поглощения, к эквивалентному сопротивлению Rpi, рассчитанному только с учетом столкновений, от плотности плазмы. Расчет выполнен для плоских дискообразных источников радиусом 10 см при давлении нейтрального газа 0,3 мторр (1), 1 мторр (2), 10 мторр (3), 100 мторр (7), 300 мторр (5).

Индуктивный разряд с внешним магнитным полем

В экспериментах использовались источники плазмы, оснащенные спиральными антеннами, расположенными на боковой и торцевой поверхностях источников, а также антеннами Nagoya III. Для рабочей частоты 13,56 МГц область магнитных полей В « 0,4--1 мТл соответствует условиям ЭЦР, а область В > 1 мТл -- условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда [41, 44].

При низких давлениях рабочего газа (р ^ 5 мторр) эквивалентное сопротивление плазмы без магнитного поля существенно меньше по величине, чем в "геликон- ной" области. Величины R_pl, полученные для области ЭЦР, занимают промежуточное положение, причем здесь эквивалентное сопротивление монотонно увеличивается с возрастанием магнитного поля. Для "геликон- ной" области характерна немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от магнитного поля, причем немонотонность R_pl(B) в случае торцевой спиральной антенны и антенны Nagoya III выражена значительно сильнее, чем в случае боковой спиральной антенны. Положение и количество локальных максимумов кривой ^pi(B) зависят от вложенной ВЧ-мощности, длины и радиуса источника плазмы, рода газа и его давления.

Увеличение вкладываемой мощности, т.е. концентрации электронов п_е, приводит к возрастанию эквивалентного сопротивления и смещению основного максимума функции ^pi(B) в область больших магнитных полей, а в ряде случаев и к появлению дополнительных локальных максимумов. Сходный эффект наблюдается и при увеличении длины источника плазмы [46].

Возрастание давления в диапазоне 2-5 мторр, как видно из рис. 4б, не приводит к существенным изменениям характера зависимости ^_pl(B), однако при давлениях, превышающих 10 мторр, немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от магнитного поля исчезает, абсолютные значения эквивалентного сопротивления падают и становятся меньше значений, полученных без магнитного поля.

Анализ физических механизмов поглощения ВЧ- мощности плазмой индуктивного разряда при условиях ЭЦР и условиях возбуждения геликонов и ТГ-волн проводился во многих теоретических работах [26-29, 33-37, 41, 44-46]. Аналитическое рассмотрение задачи о возбуждении геликонов и ТГ-волн в общем случае связано со значительными трудностями, так как необходимо описать две связанные между собой волны. Напомним, что геликон -- это быстрая поперечная волна, а ТГ-волна -- медленная продольная. Геликоны и ТГ-волны оказываются независимыми только в случае пространственно неограниченной плазмы, в которой они представляют собой собственные моды колебаний замагниченной плазмы. В случае ограниченного цилиндрического источника плазмы задачу удается решить лишь численно. Однако основные черты физического механизма поглощения ВЧ-мощности при В > 1 мТл можно проиллюстрировать с помощью развитого в [44, 45] геликонного приближения, описывающего процесс возбуждения волн в плазме при условии выполнения неравенств

Область применения

высокочастотный горение магнитный плазма

Плазменные реакторы и источники ионов, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде низкого давления, уже в течение нескольких десятилетий представляют собой важнейшую составляющую 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, небольшая температура электронов, а следовательно, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Последнее помимо минимизации потерь мощности на стенках источника плазмы позволяет избежать повреждения поверхности образцов при их обработке в разряде ионами высоких энергий.

Типичными примерами источников плазмы, работающих на индуктивном ВЧ-разряде без магнитного поля, являются плазменные реакторы, предназначенные для травления подложек [7], источники ионов, предназначенные для реализации земных ионно-пучковых технологий и работы в космосе в качестве двигателей коррекции орбиты космических аппаратов [8], источники света [9]. Общей конструктивной особенностью перечисленных устройств является наличие газоразрядной камеры (ГРК), на внешней поверхности которой или внутри ее расположен индуктор или антенна. С помощью антенны, подключенной к высокочастотному генератору, в объем ГРК вводится ВЧ-мощность и зажигается безэлектродный разряд. Токи, текущие по антенне, индуцируют в плазме вихревое электрическое поле, которое нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего газа. Типичные плотности плазмы в плазменных реакторах составляют величину 10¹¹ - 3 х 10¹² см~³, а в источниках ионов -- 3 х 10¹⁰ - 3 х 10¹¹ см~³. Характерное давление нейтрального газа в плазменных реакторах изменяется от 1 до 30 мторр, в источниках ионов составляет величину 0,1 мторр, в источниках света -- 0,1-10 торр.

Плазменные реакторы и источники ионов, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде низкого давления, уже в течение нескольких десятилетий представляют собой важнейшую составляющую 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, небольшая температура электронов, а следовательно, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Последнее помимо минимизации потерь мощности на стенках источника плазмы позволяет избежать повреждения поверхности образцов при их обработке в разряде ионами высоких энергий.

Результаты, полученные в последние годы, как экспериментальные, так и теоретические, показывают, что параметры плазмы индуктивного ВЧ-разряда зависят от потерь мощности во внешней цепи и величин мощности, поступающей в разряд через индуктивный и емкостной каналы. Параметры плазмы, с одной стороны, определяются величинами поглощенной мощности, а с другой стороны, сами определяют как соотношение мощностей, поступающих в разные каналы, так и в конечном счете мощность, поглощаемую плазмой. Это обусловливает самосогласованный характер разряда. Наиболее ярко самосогласованность проявляется в сильной немонотонности зависимости параметров плазмы от магнитного поля и срывах разряда. Значительные потери мощности во внешней цепи и немонотонная зависимость способности плазмы поглощать ВЧ-мощность от плотности плазмы приводят к насыщению плотности плазмы при увеличении мощности ВЧ-генератора и появлению гистерезиса зависимости параметров плазмы от величины мощности ВЧ-генератора и внешнего магнитного поля.

Наличие емкостной составляющей разряда обусловливает изменение доли мощности, вводимой в плазму через индуктивный канал. Это вызывает смещение положения перехода разряда из низкой моды в высокую в область меньших мощностей ВЧ-генератора. При переходе из низкой моды разряда в высокую наличие емкостной составляющей проявляется в более плавном изменении плотности плазмы с возрастанием мощности генератора и в исчезновении гистерезиса. Увеличение за счет вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов до значений, превышающих величину, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума, приводит к уменьшению вклада ВЧ-мощности через индуктивный канал. Физически не оправдано сопоставление мод индуктивного ВЧ-разряда с низкой и высокой концентрациями электронов с емкостной и индуктивной модами, так как наличие одного канала ввода мощности в плазму приводит к изменению доли мощности, поступающей в плазму через другой канал.

Уточнение картины физических процессов в индуктивном ВЧ-разряде низкого давления позволяет оптимизировать параметры плазменных устройств, работающих на его основе.

Размещено на Allbest.ru