Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

003456423

Г.

КРАЛЬКИНА Елена Александровна

ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОВКЛАДА В ПРОСТРАНСТВЕННО ОГРАНИЧЕННЫЕ ВЧ ИНДУКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПЛАЗМЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

0 5 ДЕН 2008

Москва - 2008

003456423

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Рухадзе Анри Амвросиевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член - корреспондент РАН, профессор Батенин Вячеслав Михайлович доктор физико-математических наук, профессор Коссый Игорь Антонович доктор физико-математических наук, профессор Очкин Владимир Николаевич

Ведущая организация: Государстенное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)»

Защита состоится 18 декабря 2008г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 в МГУ имени М.ВЛомоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д.1, стр.2, физический факультет МГУ, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан "16 " ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66

Доктор физико-математических наук ^ч /Г}С£§£> А.П. Ершов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из важнейших вопросов организации плазменного технологического оцесса является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, тимапьными для данного технологического процесса, например, высокой нородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, нцентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболее рслективными для применения в промышленных технологиях являются индуктивные Ч источники плазмы, так как они позволяют получать высокую плотность плазмы при носительно невысоком уровне ВЧ мощности, обрабатывать не только проводящие, о и диэлектрические материалы, использовать в качестве рабочих химически ктивные газы. В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников лазмы: это традиционные индуктивные источники плазмы без магнитного поля, где азряд возбуждается спиральной антенной, а также источники плазмы, усиленные агнитным полем. Очевидно, что развитие ионно-пучковых и плазменных технологий еизбежно приводит к повышению требований к возможностям и параметрам сточников плазмы, дает новый толчок к переосмыслению концепций и совершенствованию устройств. Такая работа может быть выполнена только на основе етального понимания физических процессов, происходящих в индуктивном ВЧ азряде при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля.

Одной из центральных задач физики источников плазмы является исследование акономерностей энерговклада в плазму разряда и выявление областей параметров лазмы, при которых поглощение ВЧ мощности происходит наиболее эффективно, ндуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За эти годы накоплен огромный кспериментапьный материал, построен ряд теоретических моделей, проясняющих еханизмы поглощения ВЧ мощности. Вместе с тем обзор литературы показывает, что опрос о закономерностях вложения мощности в пространственно ограниченные ндуктивные источники плазмы низкого давления, особенно при наличии магнитных олей, соответствующих условиям возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн, исследован далеко не полностью. Не изучено в полной мере влияние потерь ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы на свойства разряда. Не потерял актуальности и вопрос о роли емкостной составляющей разряда в балансе мощности, поступающей в плазму индуктивного ВЧ разряда. Это означает, что отсутствует последовательная физическая модель пространственно ограниченных индуктивных источников плазмы малой мощности, которая описывала бы физические механизмы поглощения ВЧ мощности в широком диапазоне условий существования

плазмы, проясняла бы влияние внешней цепи, а также емкостной составляющей разряда на величину энерговклада в плазму и ее параметры, как при отсутствии, так и при наличии внешнего магнитного поля. Восполнить существующий пробел возможно только опираясь на фундаментальные исследования, т.е. эксперименты и численное моделирование, выполненные в широком диапазоне физических параметров, а также на сопоставление полученных результатов с выводами теоретических моделей Исследование детальной картины поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного В разряда позволит создать основу для разработки перспективных моделе" технологических источников плазмы.

Целью диссертационной работы является исследование закономерносте вложения мощности в пространственно ограниченные индуктивные источники плазм низкого давления, нахождение ключевых параметров, позволяющих оптимизироват вложение мощности в плазму индуктивных ВЧ источников низкого давления разработку перспективной модели источника ионов для технологических приложений. Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

• выявления доминирующих механизмов, определяющих поглощение В мощности плазмой пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряд низкого давления без магнитного поля и при наличии внешнего магнитного пол величина которого соответствует области возбуждения геликоноподобной квазипродольной косой ленгмюровской волн;

• изучения особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, при которы существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепь разряда;

• изучения влияния емкостной составляющей разряда на ввод мощности че| индуктивный канал и параметры индуктивного ВЧ разряда низкого давления;

• построения самосогласованной модели индуктивного ВЧ разряда низко давления, учитывающего потери ВЧ мощности во внешней цепи разряда наличие емкостного канала ввода мощности;

• выявления ключевых факторов, влияющих на эффективность поглощения В мощности плазмой и выработку рекомендаций, необходимых для разработ перспективных моделей источников плазмы;

• разработку перспективных моделей источников ионов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Выполнено комплексное, систематическое исследование поглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкого давления без магнитного поля. Выполнены экспериментальные исследования и численное моделирование эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) при изменении плотности плазмы, давления и рода нейтрального газа, геометрических размеров источников плазмы. Показано, что эффективность поглощения ВЧ мощности (эквивалентное сопротивление плазмы) немонотонно зависит от концентрации электронов вследствие конкуренции двух факторов - роста количества участвующих в поглощении электронов за счет повышения их концентрации и уменьшения количества поглощающих электронов за счет уменьшения ширины скин-споя. При давлении меньшем, чем ЧмТор, механизм поглощения мощности носит черенковский характер, при давлениях более ЮОмТор - столкновительный. Росту эффективности поглощения ВЧ мощности способствует увеличение давления нейтрального газа, радиуса источника плазмы и выбор рабочей частоты в соответствии с требуемой плотностью плазмы.

Выполнено комплексное, систематическое исследование эффективности и механизмов поглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченных индуктивных источников плазмы низкого давления при наличии внешнего магнитного поля. Показано, что в ограниченных источниках плазмы возможно возбуждение объемных, связанных друг с другом геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Область существования объемных волн сужается при уменьшении длины источника плазмы и с ростом давления рабочего газа. При условиях, соответствующих области возбуждения объемных волн, зависимость эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) от величины магнитного поля носит существенно немонотонный характер. Локальные максимумы эквивалентного сопротивления соответствуют областям резонансного возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Поглощение ВЧ мощности плазмой при давлениях менее ЮмТор определяется главным образом поглощением квазипродольной волны, доминирующим механизмом диссипации является бесстолкновительное черенковское поглощение. Рост давления выше ЮмТор приводит понижению роли черенковского механизма поглощения, к сглаживанию зависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля и к понижению абсолютных значений эквивалентного сопротивления.

3. Выполнены систематические экспериментальные исследования параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда низкого давления. Параметры разряда сопоставлены с величиной мощности, поглощаемой плазмой, при этом выявлен самосогласованный характер режимов разряда, при которых существенны потери во внешней цепи. Показано, что самосогласованный характер разряда проявляется в немонотонном изменении плотности плазмы при изменении величины внешнего магнитного поля, срывах разряда, гистерезисе параметров плазмы при увеличении и уменьшении величин внешнего магнитного поля и мощности ВЧ генератора, насыщении плотности плазмы при увеличении мощности ВЧ генератора.

4. Построена самосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда низкого давления, учитывающая затраты ВЧ мощности на нагрев и поддержание плазмы, а также потери во внешней цепи. На основании модели объяснены наблюдавшиеся особенности разряда е источниках плазмы.

5. Выполнено экспериментальное исследование влияния емкостной составляющей разряда на ввод ВЧ мощности через индуктивный канал и параметры плазмы. Показано, что наличие емкостной составляющей разряда приводит к изменени доли мощности, поступающей в разряд через индуктивный канал. Это приводит уменьшению пороговой мощности, при которой происходит переход из мод разряда с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавном изменению параметров плазмы в области перехода и исчезновению гистерезиса.

6. Построена самосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда с независимы емкостным каналом ввода мощности. На основании модели объяснен наблюдавшиеся экспериментальные особенности поведения разряда. Показано что наличие емкостного канала приводит к увеличению доли мощное поступающей в плазму через индуктивный канал при условии, что плотность плазм соответствует области возрастания эквивалентного сопротивления с увеличение концентрации электронов и уменьшению доли мощности, поступающей в плазм через индуктивный канал при условии, что плотность плазмы соответствует облает убывания эквивалентного сопротивления.

7. Сформулированы рекомендации по выбору оптимальной схемы рабочего проце! в источниках плазмы в зависимости от назначения и необходимых условий е работы.

8. Разработаны перспективные модели источников ионов для космических и наземнь технологий.

Достоверность полученных результатов. Экспериментальные результаты получены на различных экспериментальных установках с привлечением там, где это возможно, нескольких независимых диагностических методик. Полученные результаты сопоставлены с результатами других групп исследователей. Выполнено численное моделирование параметров разряда, которые сопоставлены с экспериментом. Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.

Практическая значимость работы

Полученные результаты могут служить:

• для объяснения физических особенностей пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкого давления и построения полной физической модели такого разряда;

• дают возможность оценить влияние внешней цепи индктивного ВЧ разряда и его емкостной составляющей на параметры плазмы;

• являются научной базой при конструировании и выборе оптимальных режимов технологических источников плазмы низкого давления.

Результаты исследований могут быть использованы в следующих организациях: МАИ, МИРЭА, МВТУ им. Э.Баумана, ИВТ РАН, ИОФ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ЦНИИМаш'е и ряде других.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на научных семинарах кафедры физической электроники, Московского авиационного института, ИОФ РАН, университета г.Орлеан (Франция), университета г. Гиссен (Германия), Корейского института науки и технологии, фирмы PROEL (Италия), доложены и обсуждены на ряде международных и национальных конференций, в том числе: на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков". Алушта, 1988; на Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (XIX - Belgrade, 1989, XXI - Hoboken USA, 1995, XXIII - Toulouse France, 1997, XXV - Nagoya, Japan, 2001, XXVIII - Prague, Czech Republic, 2007), на Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов -ESCAMPIG (XI - St.-Peterburg 1992, XV - Hungary 2000 ), на Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (IV- Minsk, Belarus 2003, V - Minsk, Belarus 2006), на Международных конференциях по электрореактивным

двигателям (XXIV - Moscow 1995, XXIX - Princeton 2005), на Ломоносовских чтениях по физике на физическом факультете МГУ (2003), на Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, Россия, 2001, 2003, 2008), X Конференции по физике газового разряда. (Рязань 2000), Российской конференции по физической электронике (Махачкала, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 статей в реферируемых журналах, 29 докладов в трудах международных конференций, 9 тезисов докладов на конференциях, получено 4 патента. Список основных публикаций приведен в конце диссертации.

Личный вклад автора. Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором по всем разделам работы определена постановка задач, обоснованы и разработаны методики исследований. При непосредственном участии автора были созданы экспериментальные установки, проведены экспериментальные исследования и обработка полученных результатов. Автором выполнена постановка задач для численных расчетов, выполнен большой объем вычислений и проведено сопоставление их результатов с экспериментом. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.

Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 301 странице машинописного текста. Работа состоит из введения, 7 глав и заключения, в котором сформулированы основные выводы. Список цитируемой литературь содержит 144 наименования. Диссертация содержит 198 рисунков.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулировань цели и задачи исследования, показаны новизна, научная и практическая значимост работы, изложены основные выносимые на защиту положения, приведены сведения о апробации работы и публикациях.

В первой главе диссертации рассмотрены способы получения индуктивного В разряда, основные типы источников плазмы, использующие разряд в качеств рабочего процесса, понятие эквивалентного сопротивления плазмы индуктивног разряда и баланс мощности во внешней цепи генератора, сформулирован

амосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда низкого давления и описаны сновные экспериментальные методики, использованные в работе.

Индуктивный ВЧ разряд - это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору, асположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического сточника плазмы. В настоящее время известны источники плазмы, принцип действия оторых основан на индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля, а также на ндуктивном ВЧ разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией, ответствующей условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) или словиям возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской олн. Как правило, радиус г ВЧ источников плазмы составляет величину 2 - 25см, ина L - от Зсм до 50см. Диапазон изменения ппотности плазмы лв~1Ю10- 3-1012см"3 ри температуре электронов Та ~ 3 - 8эВ (3-104 - 9-104К°). Давление нейтрального газа в источниках (за исключением источников света) изменяется от 0.1 до ЮмТор. агнитные поля изменяются от 0 до 1кГс. Рабочая частота лежит в диапазоне 1 -00МГц. Указанный диапазон параметров плазмы определил область исследований, ыполненных в настоящей диссертации. Наибольшее число данных в работе получено я рабочей частоты 13.56МГц. При рассмотренных условиях длина свободного робега электронов больше характерного размера источника плазмы, частота толкновений электронов v при относительно небольших плотностях плазмы пределяется частотой электрон - атомных столкновений vea, частота электрон-онных столкновений ve¡ становится существенной лишь при ппотности пе, ревышающей 1012ст"3. Величина kVre, характеризующая черенковское поглощение (к -олновой вектор, VTe - тепловая скорость электронов), близка по величине к частоте лекгрон-атомных столкновений. Таким образом, вклад в поглощение ВЧ мощности носят как столкновительный, так и черенковский механизмы.

Центральным вопросом физики индуктивного разряда низкого давления вляется вопрос о механизмах и эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой, ассмотрим выражение для величины ВЧ мощности, поглощаемой плазмой:

де Ер Ег, Е2 азимутальная, радиальная и продольная компоненты ВЧ электрического оля в плазме, в*, мнимые части компонентов тензора диэлектрической

роницаемости плазмы. Интегрирование ведется по всему объему плазмы. В ндуктивном разряде ВЧ электрические поля пропорциональны току, текущему в антенне, поэтому уравнение (1) можно переписать в виде:

(1)

■2

(2)

где коэффициент пропорциональности Rpi между вложенной мощностью и квадратом тока через антенну имеет размерность сопротивления и зависит только от свойств плазмы. Используя аналогию между формулой (2) и выражением для мощности, поглощенной плазмой, полученным на основании трансформаторной модели индуктивного разряда, целесообразно назвать R& эквивалентным сопротивлением плазмы. Из формул (1) и (2) видно, что физический смысл эквивалентного сопротивления плазмы состоит в том, что оно является мерой способности плазмы поглощать ВЧ мощность. Его величина зависит как от закономерностей проникновения полей в плазму, так и от механизма поглощения мощности, т.е. определяете основными фундаментальными свойствами плазмы индуктивного разряда.

В индуктивном ВЧ разряде мощности генератора делится между двум нагрузками: плазмой и антенной, обладающей активным сопротивлением Rant- Пр этом выражение для баланса мощности во внешней цепи генератора принимает вид:

где 1 - ток, текущий через антенну. Ранее в подавляющем числе работ арпо полагалось, что в условиях экспериментов эквивалентное сопротивление плазм существенно больше сопротивления антенны и свойства плазмы определяютс мощностью ВЧ генератора, полностью поглощаемой плазмой. В середине 90х год В.Годяк с сотрудниками показали, что при низких давлениях в разрядах поте мощности в антенне становятся существенными. Очевидно, что при условии

поведение индуктивного ВЧ разряда кардинально изменяется. Параметры плазм определяются мощностью, вложенной в плазму Однако, при выполнен неравенства (5) Рр зависит не только от мощности ВЧ генератора, но и от величи эквивалентного сопротивления плазмы, которое в свою очередь зависит параметров плазмы и условий ее поддержания. Это приводит к появлению нов эффектов, связанных с самосогласованным перераспределением мощности внешней цепи ВЧ генератора. Положение усложняется тем, что в индуктивном разряде существует еще один канал ввода ВЧ мощности в плазму, связанный наличием паразитных емкостей между витками антенны, а также между антенной плазмой. Наличие паразитных емкостей между антенной и плазмой сопровождает

(3

1

Rpl<Rgnt

(

во-первых, изменением тока, текущего через антенну, а, во-вторых, изменением параметров плазмы, в свою очередь определяющих эквивалентное сопротивление плазмы и долю мощности, поступающую в плазму через индуктивный канал. До начала работы автора диссертации закономерности энерговклада в плазму разряда, горящего в режиме (5), тем более при наличии емкостной составляющей разряда, были мало изучены. Однако, по мнению автора, неравенство (5) выделяет область существования индуктивного ВЧ разряда, представляющую самостоятельный интерес. Это связано с тем, что, во-первых, самосогласованный характер перераспределения мощности между плазмой и антенной приводит к появлению целого ряда уникальных физических эффектов, характерных только для этой формы разряда, а, во-вторых, закономерности изменения параметров плазмы при условии (5) несут в себе богатейшую информацию о механизмах поглощения ВЧ мощности плазмой. Указанные соображения определили основной предмет многолетних исследований автора диссертации.

Свойства индуктивного ВЧ разряда изучались как экспериментально, так и с помощью математического моделирования, которое базировалось на самосогласованной модели разряда. Самосогласованная модель разряда основана на уравнениях баланса числа заряженных и нейтральных частиц в разряде, уравнении баланса мощности, уравнении квазинейтральности, уравнении (4), описывающего баланс мощности во внешней цепи ВЧ генератора, и выражениях для эквивалентного сопротивления плазмы, полученных в теоретических работах А.А.Рухадзе и др. Численные расчеты выполнены в предположении о пропорциональности плотности плазмы мощности, поглощенной плазмой.

Во второй главе диссертации выполнен обзор литературы по исследованию проникновения ВЧ полей в плазму, особенностей поглощения мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда без магнитного поля, а также излагаются результаты систематического изучения поглощения ВЧ мощности плазмой, выполненного как экспериментально, так и с помощью численного моделирования.

На рис.1 собраны экспериментальные значения эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного ВЧ разряда, полученные в экспериментах с источниками плазмы различных размеров при давлении аргона, близком к 2мТор. Разряд возбуждался спиральными антеннами, расположенными на боковой или торцевой поверхности источников плазмы. В качестве независимой переменной по оси абсцисс отложена мощность Рр/, поглощенная плазмой. Естественно предположить, что плотность плазмы пе пропорциональна Рр/, однако, следует отметить, что для различных

источников плазмы коэффициенты пропорциональности между Рр/ и пв буд различаться. Как видно, общей тенденцией поведения эквивалентного сопротивления является рост значений Я^ в области относительно небольших значений вложенно" мощности, а затем насыщение зависимости.

Ри(Вт)

Рис.1. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы ЯР1 от величины В мощности Р„, поглощенной плазмой при условии возбуждения разряда спиральным антеннами, расположенными на боковой и торцевой поверхности источника плазмы Аргон, 2мТор. Источник плазмы радиуса /?=7.5см с "торцевой" антенной: □ - /_=10см,

- 1=15см, А. - 1_=20см, с "боковой" антенной ▼ - 1.=10см, ■ - 1=20см. Источник плазм радиуса /?=11см с «торцевой» антенной * -1,-20см, с "боковой" антенной * - /_=20см;

- данные работы В.Годяка, полученные с источников плазмы Я=10см с «торцевой антенной, аргон 1мТор.

На рис. 2 показаны зависимости эквивалентного сопротивления плазмы о концентрации электронов для разрядов, возбуждаемых торцевой и боково спиральными антеннами. Расчеты были выполнены по фомулам, полученны А.А.Рухадзе и др. Из рис.2 видно, что эквивалентное сопротивление плазм немонотонно изменяется с ростом плотности плазмы: в области малых плотносге плазмы п$ значения Яр растут пропорционально п* затем проходят через максимум медленно убывают, как и;1/3 в области больших Пд.

1(Г

10"

.10"

п. (см"*)

------- , .. ( . ! . торцевая антенна 1

! !

боковая антенйа /

!

.1

' / /

^ !

Рис.2. Зависимость эквивалентного сопротивпени плазмы от концентрации электронов для случаев возбуждения разряда с помощью торцевой и боковой спиральных антенн. Р?=7.5см, 1_=5см, арго р=1 мТор, Те=5эВ.

ю"

При низких давлениях область малых концентраций электронов соответствует лучаю слабой пространственной дисперсии, поэтому зависимость Яр1(пс) хорошо ппроксимируется расчетами, выполненными с использованием выражения для иэлектрической проницаемости, полученным для среды без пространственной исперсии. Напротив, в области высоких концентраций электронов, когда преобладает есстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скин-эффекта, ависимость йр/(пе) близка к полученной для сред с сильной пространственной исперсией. В целом же немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от отности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, поглощение ВЧ ощности растет с ростом концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя, пределяющая ширину области поглощения ВЧ мощности, убывает с ростом ле.

Теоретическая модель источника плазмы, возбуждаемого спиральной антенной, расположенной на его верхней торцевой поверхности, разработанная в работах ААРухадзе и др., 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, т.к. поглощение ВЧ мощности происходит в пределах скин-слоя. Напротив, в случае расположения антенны на боковой поверхности источников увеличение длины источника, сопровождающееся одновременным увеличением длины антенны приводит к увеличению области, где происходит поглощение ВЧ мощности, т.е. к «удлинению» скин слоя, поэтому в случае боковой антенны эквивалентное сопротивление растет с длиной источника в области возрастания эквивалентного сопротивления.

Эксперименты и расчеты показали, что при низких давлениях абсолютные начения эквивалентного сопротивления плазмы невелики. Увеличение давления абочего газа приводит к существенному повышению эквивалентного сопротивления, изическая причина увеличения способности плазмы поглощать ВЧ мощность с остом давления лежит в механизме поглощения ВЧ мощности. Расчеты показали, что ■ри минимальном из рассмотренных давлений р=0.1мТор подавляющим является еренковский механизм диссипации. Электрон-атомные столкновения практически не казывают влияния на величины эквивалентного сопротивления, а электрон-ионные толкновения приводят лишь к незначительному повышению эквивалентного опротивления при пе>З Ю11ст"3. Увепичение давления, т.е. частоты электрон-атомных толкновений, приводит к росту эквивалентного сопротивления за счет повышения роли столкновительного механизма поглощения ВЧ мощности.

В третьей главе диссертации выполнен обзор литературы по исследованию проникновения ВЧ полей в плазму, особенностей поглощения мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда при наличии магнитного поля, а также излагаются результаты

систематического изучения поглощения ВЧ мощности плазмой, выполненного как экспериментально, так и с помощью численного моделирования.

В экспериментах определялись зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от величины магнитного поля, полученные при фиксированной вложенной в плазму мощности. Эксперименты были выполнены с источниками плазмы, оснащенными спиральными антеннами, расположенными на боковой и торцевой поверхностях источников, а также антеннами №доуаШ. Для рабочей частоты 13.56МГц область магнитных полей В=0.4-1мТл соответствует условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), а область В>1мТл - условиям возбуждения геликонов и квазипродольных волн.

При низких давлениях рабочего газа (р < 5мТор), как видно из рис.3, эквивалентное сопротивление плазмы без магнитного поля существенно меньше по величине, чем в «геликонной» области. Величины йщ, полученные для области ЭЦР, занимают промежуточное положение, причем здесь эквивалентное сопротивление монотонно увеличивается с магнитным полем. Для «геликонной» области характерна немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от магнитного поля, причем немонотонность Ир^В) в случае торцевой спиральной антенны и антенны ЫадоуаШ выражена значительно сильнее, чем в случае боковой спиральной антенны Положение и количество локальных максимумов зависимости /?р/В) зависят о вложенной ВЧ мощности, длины и радиуса источника плазмы, рода газа и ег давления.

Увеличение вкладываемой мощности, т.е. концентрации электронов пе, приводи к росту эквивалентного сопротивления и смещению основного максимума функци ЯР/(В) в область больших магнитных полей, а в ряде случаев и к появлени дополнительных локальных максимумов. Сходный эффект наблюдается и пр увеличении длины источника плазмы.

Рост давления в диапазоне 2-5мТор не приводит к существенным изменения характера зависимости однако при давлениях, превышающих ЮмТо

немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от магнитного пол исчезает, абсолютные значения эквивалентного сопротивления падают и становятс меньше значений, полученных без магнитного поля.

с.З. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от величины внешнего магнитного ля при различных мощностях, вложенных в плазму аргона при давлении 5мТор. R=7.5см, 20см. Квадраты -100Вт, кружки - 150Вт, треугольники кверху и книзу 200 и 250Вт ответственно. Пунктиром помечены положения срыва разряда.

Эффект существенного увеличения плотности плазмы низкого давления, мещенной во внешнее магнитное поле, впервые был обнаружен Р. Босвеллом и его ллегами в 1970 г. при изучении прохождения волн в плазме в диапазоне частот 7 -00МГц. Анализируя физические причины повышения плотности плазмы, Ф. Чен редположил, что поглощение ВЧ мощности происходит вследствие нелинейного еренковского поглощения мощности бегущей геликоновой волны.

Другой подход к проблеме был предложен в работах, выполненных при участии втора диссертации. Известно, что в случае пространственно неограниченной плазмы ри условии

Q/ « ùJU < со, VTe /R, VTe Л. « Qe « oJlo (6)

озможно возбуждение независимых поперечной геликонной и продольной косой енгмюровской волн, они представляют собой собственные моды колебаний амагниченной плазмы. В выражении (6) ши , coLe - ленгмюровские частоты ионов и лектронов с заданными плотностями п, и пе соответственно, ш - частота ысокочастотного поля накачки, We - тепловая скорость электронов, £1е,,- -арморовские частоты вращения электронов и ионов в однородном аксиальном агнитном поле В. В случае пространственно ограниченной плазмы ситуация еняется: ВЧ поля, индуцируемые в плазме, представляют собой суперпозицию двух вязанных между собой решений. Расчеты показали, что существует ограниченная

область параметров плазмы и знамений магнитного поля, при которых ВЧ поля, соответствующие двум связанным решениям, проникают в объем плазмы. Область существования объемных полей сужается при уменьшении длины источника плазмы и с ростом давления рабочего газа.

В области проникновения ВЧ полей двух решений в объем плазмы при выполнении условий (6) одно решение можно сопоставить с геликоноподобной волной, а второе - с квазипродольной косой ленгмюровской волной. Таким образом, в пространственно ограниченной плазме возможно возбуждение только связанных между собой геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Это вывод имеет принципиальное значение для понимания механизма поглощения ВЧ мощности плазмой при условиях (6).

Математическое моделирование дает возможность проанализировать п отдельности вклад геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн поглощение ВЧ мощности плазмой. Расчеты показали (см. рис.4а), что в случа возбуждения разряда азимутальным током, текущим по боковой поверхност источника, при концентрации электронов 1011см'3 и меньше основной вклад поглощение вносит косая ленгмюровская волна. Будучи квазипродольной волной, е поглощение определяется главным образом бесстолкновительным черенковски механизмом. С ростом концентрации электронов (см. рис.4б) вклад геликонов поглощение в области магнитных полей, не превышающих 200Гс, сравним с вкладо косой ленгмюровской волны. В области более высоких магнитных полей поглощени косой ленгмюровской волны доминирует всюду кроме узких областей, где амплитуд косой ленгмюровской волны имеет локальные минимумы. При условии, что разря возбуждается антенной, создающей на поверхности источника плазмы не только то но и заряд, роль косой ленгмюровской волны становится еще более существенной.

Магнитное поле (Гс) Магнитное поле (Гаусс)

Рис.4. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от магнитного поля,

1 - расчет с учетом только квазипродольной косой ленгмюровской волны,

2 - геликоноподобной волны. р=1мТор Я=5см 1=15см. а - лв~1011см"3, б - л9=3-1012см

исленные расчеты, учитывающие возбуждение как геликоноподобной, так и -азипродольной косой ленгмюровской волн, позволили объяснить наблюдавшиеся кспериментально закономерности изменения эквивалентного сопротивления. Прежде сего расчеты проявили резонансный характер поглощения ВЧ мощности при зменении величины внешнего магнитного поля. Так (см. рис.5), эквивалентное противление плазмы Rpi при давлении менее ЮмТор представляют собой серию окальных максимумов, соответствующих условиям резонансного возбуждения еликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн.

10т-----

Рис.5. Зависимость эквивалентного

1,сопротивления плазмы от величины

_магнитного поля, рассчитанная для

ослучая R=2.5cm L=15cm. Цифры 1, 2, 3

а? 01.соответствуют расчетам, выполненным

для концентраций электронов Ю10, 10", 1012 см"3.

0.01

0 100 200 300 400 500

Магнитное поле (Гс)

Характер изменения эквивалентного сопротивления с ростом магнитного поля 1ри плотности плазмы 3-1012см"3 существенно отличается от полученного при е=1-1011см"3. Это связано с влиянием электрон-ионных столкновений. В целом величение частоты столкновений, вызванное увеличением давления газа или ростом лектрон-ионных столкновений с ростом плотности плазмы приводит к сглаживанию ависимости амплитуд полей от магнитного поля. Кроме того, с ростом частоты толкновений амплитуда квазипродольной косой ленгмюровской волны понижается, и е ВЧ поля перестают проникать в объем плазмы. В связи с этим эквивалентное опротивление плазмы понижается. Проникновение геликоноподобной волны в плазму ростом давления не изменяется.

Эксперименты и расчеты показали, что основной максимум зависимости квивалентного сопротивления от магнитного поля смещается в область больших агнитных полей при увеличении плотности плазмы (вложенной в плазму мощности), то означает, что зависимость Rp/ от концентрации электронов при фиксированном начении Во является убывающей в области высоких концентраций электронов. Этот езультат физически очевиден, т.к. при выходе из резонанса с ростом концентрации 1лазмы амплитуды полей падают, и их проникновение в плазму резко ухудшается. Чем -ыше индукция магнитного поля, тем выше значение критической плотности плазмы, ревышение которой сопровождается падением эквивалентного сопротивления плазмы..

В четвертой главе диссертации экспериментально и с помощью численного моделирования изучено влияние потерь мощности во внешней цепи разряда на параметры индуктивного ВЧ разряда. При проведении экспериментов использовались антенны с эффективным сопротивлением 1-40ма. В Главах 2 и 3 было показано, что эквивалентное сопротивление плазмы при рассмотренных условиях экспериментов по порядку величины близко к Яал/. Таким образом, в экспериментах было обеспечено выполнение неравенства /?р;<7?ал(.

Цель первой серии экспериментов состояла в выявлении особенностей поведения индуктивного ВЧ разряда как целого при изменении величины внешнего магнитного поля. Для этого измерялись зависимости тока на зонд /р, и/ипи интенсивности I интеграпьного свечения плазмы от величины магнитного поля В при фиксированной мощности ВЧ генератора и от мощности ВЧ генератора Рдеп при фиксированных значениях магнитного поля В.

Результаты измерения зависимости зондового тока ¡р, интенсивности свечения плазмы I ВЧ разряда низкого давления от величины внешнего магнитного поля, полученные с использованием различных антенн в источниках плазмы разных размеров в широком диапазоне мощностей и частот ВЧ генератора, показали, что, несмотря на своеобразие каждой из полученных кривых, можно выделить общую закономерность. Это - немонотонная зависимость измеренных параметров от величины магнитного поля. Наличие локальных максимумов зависимостей ¡Р(В), 1(В) является общей чертой индуктивных ВЧ разрядов низкого давления, однако, положение и количество локальных максимумов ¡Р(В), 1(В) существенно зависит от условий экспериментов. Так, число локальных максимумов, как правило, возрастает с радиусом источника плазмы, мощностью ВЧ генератора и давлением рабочего газа. Последнее выполняется при условии, что давление газа не превосходит ЮмТор. При давлении ЮмТор и выше максимумы, как правило, сглаживаются.

Наряду с общими закономерностями следует отметить и своеобразие кривых полученных с использованием различных антенн. В случае спиральных антен наложение магнитного поля сначала приводит к значительному росту зондового тока интенсивности свечения плазмы, затем, пройдя через серию локальных максимумов величины /р, I падают. При использовании торцевой спиральной антенны и антеннь ЫадоуаШ в экспериментах были обнаружены срывы разряда при магнитных полях превышающих критическое значение Вкр. Измерения показали, что величина В„ чувствительна к изменению условий экспериментов, а именно изменению размер источника плазмы, расхода рабочего газа (давления в газоразрядной камере) мощности ВЧ генератора. В случае зигзагообразной антенны (^=81МГц), напроти

ионный ток, пройдя через серию локальных максимумов, возрастает с увеличением магнитного поля.

Представленные выше результаты были получены с источниками плазмы длиной 10см и выше. Эксперименты, выполненные на частоте 13.56МГц с источниками плазмы длиной 5см и боковой спиральной антенной, показали, что наложение внешнего магнитного поля на индуктивный ВЧ разряд приводит к резкому уменьшению интенсивности свечения плазмы и погасанию разряда. Стабильное горение разряда удалось получить только с более длинными источниками, а именно с длиной не менее 7см. При проведении экспериментов было замечено, что при увеличении магнитного поля интенсивность свечения плазмы в середине источника плазмы (по длине) и у выходного фланца изменяется непропорционально, т.е. происходит пространственное перераспределение параметров плазмы. Наиболее значимым с ростом магнитного поля является перераспределение интенсивности свечения плазмы по радиусу источника плазмы. При наложении магнитного поля на разряд в источнике длиной 10см и меньше интенсивность свечения плазмы концентрируется вблизи стенок источника при всех значениях магнитного поля. В источниках плазмы длиной 15см и более с ростом магнитного поля происходит общий рост интенсивности свечения плазмы, причем интенсивность свечения вблизи оси растет быстрее, чем на периферии, затем максимум интенсивности свечения плазмы смещается к стенкам источника. Изменение интенсивности свечения плазмы может быть обусловлено двумя причинами: изменением концентрации и эффективной температуры электронов. Более детальные исследования, выполненные при работе на частотах 13.56МГц, показали, что эффективная температура электронов в пределах погрешности эксперимента не зависит от радиальной координаты. Это, по-видимому, связано с тем, что максимум интенсивности свечения вблизи оси источников плазмы наблюдался при низких магнитных полях. При этих условиях ларморовский радиус основной массы электронов достаточно велик. При частоте 81 МГц максимум интенсивности свечения в центральных областях разряда наблюдается при полях порядка ЮмТл, при этих условиях ларморовский радиус электронов меньше радиуса источника плазмы. Здесь измерения показали, что в области магнитных полей, где наблюдается максимум концентрации электронов в центре источника плазмы, происходит существенное увеличение и эффективной температуры электронов. В области малых и больших В, где электронная плотность в центре мала, эффективная температура электронов у стенок источника плазмы выше.

Представленные выше результаты были получены при фиксированной мощности генератора при условии, что магнитное поле увеличивалось от нуля до

величин Вяп, превышающих В, при которых наблюдается срыв разряда. В ряде случаев при работе с торцевой спиральной антенной и антенной №доуаШ наблюдался гистерезис в зависимостях ¡р, I от магнитного поля при увеличении магнитного поля сначала от 0 до Вт, а затем его уменьшения до 0. Ранее гистерезис наблюдался при увеличении и уменьшении мощности ВЧ генератора в индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля. Измерения, выполненные в настоящей работе, показали (см. рис.6), что наложение магнитного поля способствует появлению гистерезиса. При магнитном поле 1мТл и ниже при уменьшении мощности ВЧ генератора скачок из Н в Е-моду происходил при том же значении Рь, что и при увеличении мощности генератора Рг Ситуация изменяется с ростом магнитного поля. Здесь появляется гистерезис, и значения Рь оказываются меньше Р;, причем разница в значениях Рь и Рг растет с увеличение магнитного поля. Появление гистерезиса было зафиксировано при работе

Рис. 6. Зависимость интенсивности свечения плазмы от мощности ВЧ генератора, питающего антенну, при увеличении (квадраты) и уменьшении (кружки) мощности. Давление аргона 2мТор. М 3.56МГц.

Отметим еще одну особенность поведения разряда, проявившуюся в настоящих экспериментах. Это насыщение интенсивности свечения и зондового тока с увеличением Р&>п при горении разряда в Н-моде. Наиболее отчетливо это проявляется при работе с зигзагообразной антенной.

В работе К.Шамрая и В.Таранова было показано, что целый ряд наблюдаемых особенностей поведения индуктивного ВЧ разряда можно объяснить сильной зависимостью реактивной составляющей импеданса плазмы от величины магнитного поля, которая приводит к рассогласованию системы согласования и изменению доли ВЧ мощности, поступающей в разряд. Эксперименты, выполненные в настоящей работе, показали, что указанный механизм, безусловно, необходимо учитывать при проведении измерений. Однако объяснить с его помощью представленные выше результаты невозможно, т.к. в подавляющем большинстве экспериментов, представленных в настоящей диссертации, четко контролировалось согласование

нагрузки и генератора. Вместе с тем идея о том, что изменение условий эксперимента сопровождается изменением доли мощности, поступающей в плазму, представлялась лежащей в фундаменте объяснения всей совокупности приведенных данных. В связи с этим на следующем этапе работы были выполнены детальные исследования динамики параметров плазмы и величины ВЧ мощности поглощенной плазмой, при изменении величины магнитного поля и мощности ВЧ генератора. Была использована торцевая спиральная антенна.

Измерения показали, что поджиг разряда приводит к небольшому уменьшению тока, текущего через антенну, а дальнейшее увеличение магнитного поля - к росту разницы между токами, текущими через антенну при наличии разряда и без него. Это свидетельствует о росте доли мощности ВЧ генератора, поглощенной плазмой. Увеличение магнитного поля выше значения Втаж приводит к возрастанию тока через антенну. После срыва разряда ток через антенну возвращается к значениям, имевшим место до поджига разряда. Соответственно величины ВЧ мощности Рр/, поглощенной плазмой, рассчитанные на основании измеренных 1Ант, растут с магнитным полем вплоть до достижения магнитного поля Втах, затем мощность, поглощенная плазмой, начинает падать пока не достигнет величин, недостаточных для поддержания разряда. Здесь происходит срыв разряда.

Изменение мощности, поглощенной ВЧ плазмой, при увеличении магнитного поля естественно сопоставить с динамикой изменения концентрации электронов. Однако, как отмечалось выше, изменение В приводит к перераспределению параметров плазмы по объему источника. При этом для каждой точки плазменного объема будет характерна своя зависимость концентрации плазмы от магнитного поля. Выход из положения можно найти, сопоставив среднюю по сечению концентрацию:

плазмы с поглощенной ею мощностью. Поведение средних значений концентрации электронов с ростом магнитного поля качественно совладает с поведением локальной концентрации. Сначала идет рост Ые, затем уменьшение и срыв разряда. Увеличение ВЧ мощности и давления приводит к росту концентрации электронов и смещению границы существования разряда в область больших магнитных полей.

Полученные в экспериментах значения Ые и Рр/ были представлены в виде зависимости Л/в/(Рр/*р) от мощности, поглощенной плазмой (см. рис.7). Здесь р -давление аргона в разрядной камере. Оказалось, что при условии, что в плазму вкладывается мощность, превышающая 40Вт, все точки в пределах погрешности эксперимента ложатся на прямую, параллельную оси абсцисс. Это означает, что

(7)

средняя по объему концентрация электронов в плазме индуктивного ВЧ разряда

пропорциональна вложенной в плазму мощности, а особенности изменения плотности

плазмы с изменением магнитного поля связаны с перераспределением мощности ВЧ

генератора между активным эффективным сопротивлением антенны и эквивалентным

сопротивлением плазмы. Рост отношения Л/е/(Рр*р) в области малых (<40Вт)

мощностей, вложенных в плазму, связан, по-видимому, с наличием емкостной

компоненты разряда. 1.0

▼ R=7.5CM L=10CM Ar • p=1.6uTop А р=ЗмТор

i ▼ р=5мТор

-hfc— V * I t a A* I

i ▼ A I

Рис.7. Зависимость п</( Р«« р) от мощности, поглощенной плазмой.

О 20 40

SO 100 120 140 160 180 200 МВт)

В следующей серии экспериментов изучались свойства индуктивного разряда, возбуждаемого антеннами с различным эффективным сопротивлением. Для этого эффективное сопротивление исходной антенны искусственно повышалось с помощью дополнительного сопротивления. Изменение характеристик разряда при увеличении сопротивления антенны дало возможность в прямом эксперименте зафиксировать влияние потерь мощности во внешней цепи. Наиболее интересные результаты были получены при исследовании перехода разряда из Е- в Н- моду при изменении мощности ВЧ генератора при постоянном значении магнитного поля. Эксперименты показали, что с ростом R^t происходит смещение положения перехода разряда из Е- в Н- моду в область больших мощностей ВЧ генератора. Кроме того, в случае «высокоомной» антенны в переходной области появляется гистерезис.

Математическое моделирование позволило проанализировать физические причины эффектов, наблюдавшихся экспериментально. Расчеты показали, что в области малых магнитных полей, соответствующих области роста эквивалентного сопротивления плазмы с увеличением магнитного поля, ток через антенну падает, а вложенная в плазму мощность и концентрация электронов растут. Затем при превышении магнитным полем величины Втвх, при которой эквивалентное сопротивление плазмы максимально, ток через антенну начинает возрастать, а вложенная в плазму мощность и концентрация электронов уменьшаются. При значениях магнитного поля, превышающих критическое значение Bent> решения

истемы уравнений, описывающий разряд, перестают существовать. Физически это оответствует невозможности существования разряда. Причиной отсутствия решения ри больших значениях магнитного поля является существенное падение квивалентного сопротивления плазмы в области больших магнитных полей и онижение доли мощности, поглощаемой плазмой, до величин, недостаточных для оддержания разряда. Причиной падения Яр при увеличении В является выход из бласти резонансного возбуждения геликоноподобных и квазипродольных косых енгмюровских волн.

Зависимость концентрации плазмы от величины внешнего магнитного поля, ассчитанная при относительно небольшой мощности ВЧ генератора, представляла бой серию локальных максимумов, сопровождающихся резкими падениями лотности плазмы, а иногда срывами разряда. Сравнение расчетов с результатами кспериментов позволяет сделать вывод, что наблюдавшиеся в эксперименте резкие ачки плотности плазмы связаны с наличием резонансов возбуждения еликоноподобных и квазипродольных косых ленгмюровских волн, проявляющихся в езком изменении способности плазмы поглощать ВЧ мощность.

Математическое моделирование позволило объяснить и радиальное 1ерераспределение плотности плазмы при изменении магнитного поля. Расчеты оказали, что при магнитных полях, близких к магнитному полю Вта*. ютветствующему максимуму концентрации электронов, электрические поля волн роникают в объем плазмы, в то время как при магнитных полях, существенно меньших и больших Втах, ВЧ поля экранируются. Сказанное относится к источникам относительно большой длины. В коротких источниках, как показали расчеты, в рассмотренном диапазоне параметров плазмы возбуждение объемных волн невозможно. В связи с этим при всех рассмотренных матитных полях амплитуды электрических ВЧ полей максимальны вблизи стенок источника плазмы.

Расчеты показали, что в ряде случаев при одних и тех же значениях индукции внешнего магнитного поля В и мощностях ВЧ генератора Рот существует несколько ветвей решений, т.е. несколько значений концентрации электронов, при которых существует решение системы уравнений, описывающей разряд. Ранее рассматривалась ветвь решений с высокими значениями концентрации электронов, однако, начиная с некоторого значения В*, появляется второе равновесное решение со значениями концентрации плазмы, примерно на порядок меньшими, чем соответствующие значения первого решения. Очевидно, что наличие нескольких устойчивых значений концентрации электронов при одних и тех же значениях В и Рвеп

указывает на возможное наличие гистерезиса при увеличении и уменьшении внешнего магнитного поля.

Рассмотрим зависимость концентрации плазмы от мощности ВЧ генератора при фиксированных значениях магнитного поля (см. рис.8). Расчеты показали, что решения системы уравнений, описывающей разряд, существуют при мощностях ВЧ генератора, превышающих некоторую критическую величину, зависящую как от сопротивления антенны, так и от параметров плазмы. Причины этого явления были подробно рассмотрены в М.Тернером и М.Либерманом. Расчеты выявили и новый результат, а именно возможность существования индуктивного разряда в моде с низкой концентрацией электронов (далее «низкая» мода). В этой моде эквивалентное сопротивление плазмы меньше, чем сопротивление антенны. При переходе из «низкой» моды разряда в моду с высокой концентрацией (далее «высокая» мода) при ряде режимов разряда существует неоднозначность решений. Наличи многозначности решений может быть причиной гистерезиса, наблюдавшегос экспериментально. Анализ условий появления многозначности решений показал, чт при условии Rp¡»Rant. вся мощность генератора вкладывается в плазму концентрация электронов изменяется пропорционально мощности ВЧ генератора, т.е связь между пв и PGen является однозначной. В противоположном случае Rpi<Ra возможно появление решений, причем их может быть несколько в случае, есл зависимость Rpi от концентрации электронов является немонотонной.

Рис.8. Зависимость концентрации электронов в ВЧ индуктивных источниках плазмы радиуса 5см от мощности ВЧ генератора при различных давлениях нейтрального газа. 1 - О.ЗмТор, 2 - 0.2мТор, 3-0.1мТор.

Решение самосогласованной задачи для сопротивления антенны 10м.

300 400 500 600 700 В00 900 1000 1100 1200 Мощность ВЧ генератора (Вт)

При горении разряда в «высокой» моде наблюдается замедление рост плотности плазмы в связи с насыщением зависимости эквивалентного сопротивлени плазмы от пе при высоких концентрациях плазмы. Это является следствие экранировки ВЧ полей плазмой.

В пятой главе рассмотрено влияние емкостной составляющей на свойст индуктивного ВЧ разряда. В настоящей работе для изучения влияния емкостной свя между антенной и плазмой на характеристики разряда на поверхности источник

плазмы дополнительно к спирали размещались обкладки конденсатора. Рассматривалось два случая - расположение обкладок на внешней и внутренней поверхности источника плазмы. Наличие обкладок конденсатора на поверхности источника плазмы позволяло организовать контролируемый емкостной канал ввода мощности так, что индуктивная связь между антенной и плазмой оставалась неизменной.

Для возбуждения и поддержания чисто индуктивного разряда в источниках ионов и плазмы использовалась та же схема, что и ранее. Для изучения роли емкостной составляющей в первой серии экспериментов обкладки конденсатора, расположенные на поверхности источника плазмы, через отдельную систему согласования подключались ко второму ВЧ генератору, мощность которого можно было изменять независимо от генератора, питающего индуктор. В ряде экспериментов при расположении обкладок конденсатора внутри разряда они подключались к источнику постоянного тока.

Во второй серии экспериментов для моделирования реального индуктивного ВЧ разряда, обладающего емкостной компонентой (далее гибридного ВЧ разряда), индуктор и конденсатор, соединенные параллельно, подключались к одному ВЧ генератору. Для того чтобы индуктор не замыкал «емкостную» цепь по постоянному току, между концами антенны и выводами, подключенными к обкладкам конденсатора, включались конденсаторы с емкостью порядка ЗООпФ. В процессе экспериментов измерялись токи, текущие через антенну и конденсатор, а также напряжение на выходе из системы согласования. Мгновенные значения токов и напряжений, измеренные в «емкостной» цепи, интегрировались для расчета мощности, выделяемой в емкостном канапе Рс. Полная мощность, выделяемая в плазме гибридного разряда, определялась как разница между выходной мощностью ВЧ генератора и потерями мощности в системе согласования.

Измерения показали, что при наличии емкостного канала зависимость Д/5^)

интенсивности свечения плазмы от мощности генератора, питающего индуктор

видоизменяется. Наличие независимого емкостного канала приводит к понижению критической мощности Р<, отдаваемой генератором в индуктивный канал, при которой разряд переходит в моду с высокой интенсивностью свечения. Чем больше величина ВЧ мощности, отдаваемой ВЧ генератором в емкостной канал, тем больше понижается Р^ Одновременно с понижением Р/переход из моды с низкой интенсивностью свечения в высокую, становится более плавным. Спучай параллельного подсоединения антенны и конденсатора приводит к тем же качественным результатам, однако, изменение Рг

выражено значительно слабее. Аналогичный результат был получен при введении дополнительной мощности в разряд через канал постоянного тока.

Как отмечалось в Главе 4, в переходной моде индуктивного ВЧ разряда при наличии магнитного поля может появиться гистерезис в зависимости параметров плазмы от мощности ВЧ генератора и величины магнитного поля. Эксперименты показали, что присутствие емкостной составляющей приводит не только к сближению величин мощности Рг и Рь, , при которых происходит переход из моды с высокой интенсивностью свечения в моду с «низкую» моду и обратно. Более того, при увеличении величины ВЧ мощности, поступающей в плазму через независимый емкостной канал, разница между значениями РгиРц и гистерезис исчезают.

Более детальные измерения показали (см. рис.9), что при горении разряда в «низкой» и переходной из «низкой» в «высокую» модах, доля мощности Ры, которая поступает в разряд через индуктивный канал, возрастает при условии, что в плазм дополнительно вкладывается мощность через независимый емкостной ВЧ канал или канал постоянного тока. Таким образом, экспериментально было зафиксирован влияние дополнительного канала ввода мощности на мощность, поступающую плазму через индуктивный канал.

Рассмотрим теперь влияние емкостной составляющей на параметры разряда моде с высокой интенсивностью свечения. Измерения показали, что интенсивност свечения плазмы в этой моде разряда слабо зависит от наличия емкостно компоненты разряда или канала постоянного тока при вводе мощности чере дополнительный канал. Аналогичный результат был получен и с гибридным разрядом.

Наблюдения за поведением гибридного разряда при увеличении мощност генератора в случае, когда разряд возбуждался боковой спиральной антенной, обкладки конденсатора располагались на торцах источника плазма без контакта плазмой, показали (см. рис.10), что при малых мощностях генератора наблюдаете типичная для емкостного разряда картина горения разряда. Свечение ппазм концентрируется вблизи обкладок конденсатора в области слоев пространственног

Рис.9. Зависимость доли мощности, поступающей в разряд от ВЧ генератора, к которому подключена торцевая спиральная антенна.

Мощность «емкостного» генератора 1 - 3Вт, 2 - 20Вт, 3 - 50Вт. Диаметр источника плазмы 30см, длина 20см,

Рсар=20\л/ давление аргона 20мТор.

Рсар=50\ЛГ

20 40 60 80 100 120 140 160 160 200 220

(заряда. В центральной области разрядного промежутка свечение слабое. По мере ¡роста мощности ВЧ генератора растет интенсивность свечения плазмы в области 'локализации боковой спиральной антенны. Свечение в области локализации слоев |пространственного заряда сначала сохраняется, а затем разряд скачкообразно 1 переходит в шарообразную форму, характерную для чисто индуктивного ВЧ разряда. Отметим, что в случае расположения обкладок конденсатора внутри разряда переход разряда в шарообразную форму при рассмотренных условиях не наблюдался. Измерение доли мощности Рс, поступающей через емкостной канал в плазму гибридного разряда при внешнем расположении электродов, показало, что величина Р0 сначала растет, а затем при переходе разряда в «высокую» моду убывает с

енератора.

Рис.10. Динамика свечения гибридного ВЧ разряда при увеличении мощности ВЧ генератора.

Оценки показали, что емкость естественных разделительных конденсаторов Сф, связанных с наличием диэлектрических фланцев при внешнем расположении электродов, составляла величину порядка 15пф, а их сопротивление на частоте 13.56

МГц - 1кОм. При горении индуктивного ВЧ разряда в моде с высокой концентрацией

„

электронов сопротивление плазмы, определяющее омическии нагрев плазмы током, текущим через емкостной канал, существенно падает. Вместе с тем ток, текущий в емкостной цепи, ограничен емкостным сопротивлением конденсаторов Сф. В этом случае с ростом мощности индуктивного ВЧ генератора (плотности плазмы) вклад ВЧ мощности через емкостной канал понижается.

Дополнительные эксперименты показали, что в случае внутреннего расположения электродов в контакте с плазмой Рс увеличивается с ростом Реа во всем

рассмотренном диапазоне Реа, однако интенсивность свечения плазмы в «высокой»

моде близка к интенсивности свечения в чисто индуктивном разряде.

Для объяснения наблюдавшихся эффектов было выполнено математическое моделирование поведения индуктивного ВЧ разряда с независимым емкостным каналом ввода мощности. Предполагалась, что вся мощность «емкостного» генератора поглощается плазмой. Расчеты показали, что при наличии емкостного канала разряд может существовать в модах со значительно различающейся концентрацией плазмы. В случае моды с высокой концентрацией подавляющая часть мощности ВЧ генератора, питающего индуктивный канал, вкладывается в плазму. В моде с низкой концентрацией электронов практически вся мощность индуктивного генератора идет на нагрев антенны, а плотность плазмы определяется ВЧ мощностью, которая вкладывается в плазму через емкостной канал. В экспериментах «выбор» моды горения разряда, по-видимому, осуществляется с помощью системы согласования, т.к. активная и реактивная составляющие импеданса плазмы, существующего в «высокой» и «низкой» модах, существенно различаются. Сказанное подтверждают результаты работы М.Тернера и др., где экспериментально показана возможность изменения моды горения разряда при изменении параметров системы согласования.

Расчеты показали (см. рис.11), что мощность, вкладываемая через индуктивный канал, зависит от величины мощности, вкладываемой через емкостной канал. При небольших значениях мощность, вкладываемая через индуктивный канал Р'™1, растет с ростом , затем приближается к значениям, имеющим место при отсутствии емкостной составляющей, и, наконец, становится меньше, чем в чисто емкостном разряде. Уменьшение мощности Рп!> в области высоких значений тем сильнее, чем выше величина ВЧ мощности, вкладываемой через емкостной канал.

Рис.11. Зависимость полной вложенной в плазму мощности от мощности «индуктивного» ВЧ генератора в чисто индуктивном разряде (кривая 1) и в разряде с независимой емкостной компонентой (кривая 2). Pop =500Вт. Кривая 3 - доля мощности, поступающей в разряд через индуктивный канал.

Gert V"'l

Проанализируем качественно взаимное влияние двух каналов ввода ВЧ мощности. Сначала рассмотрим случай малых и низких концентраций плазмы. Как известно, в широком диапазоне условий емкостная фаза разряда может существовать при меньших мощностях ВЧ генератора, чем индуктивная, при этом в разряде устанавливается некоторая концентрация электронов пв'. Напомним, что антенна подключена к «индуктивному» генератору, очевидно, что с появлением плазмы во внешней цепи «индуктивного» генератора появляется эквивалентное сопротивление, величина которого определяется л»", т.е. фактически ВЧ мощностью, вкладываемой через емкостной канал. В случае, когда концентрация электронов, определяемая емкостным каналом больше концентрации электронов п,м, которая существовала бы в источнике плазмы при отсутствии емкостного канала, вклад ВЧ мощности в плазму через индуктивный канал возрастает по сравнению со случаем, когда емкостной канал отсутствует. Это и показали эксперименты и полученные численные решения. Отметим, что рост эквивалентного сопротивления в области малых с

очевидностью приводит к понижению пороговой мощности, при которой переходит переход из «низкой» моды разряда в «высокую» и исчезновению гистерезиса.

Теперь рассмотрим область высоких концентраций плазмы. Дополнительный ввод мощности через емкостной канал приводит к росту плотности плазмы, однако, в области высоких концентраций электронов эквивалентное сопротивление плазмы проходит через максимум и начинает убывать. Физически это связано с ухудшением проникновения ВЧ мощности в плазму с ростом ее концентрации. Уменьшение величины ВЧ мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал, естественно приводит к уменьшению полной мощности, вкладываемой в плазму. При этом с ростом мощности ВЧ генератора, питающего емкостной канал, величина полной мощности приближается к величине мощности, вкладываемый через индуктивный канал в чисто индуктивном разряде. Неудивительно, что параметры плазмы, экспериментально наблюдавшиеся в «высокой» моде чисто индуктивного разряда и разряда с емкостной компонентой, были близки друг к другу.

В шестой главе с помощью математического моделирования рассмотрены возможности оптимизации индуктивных источников плазмы. Прежде всего, исходя из результатов, представленными в предшествующих главах, проанализированы возможности оптимизации ввода ВЧ мощности в плазму. Очевидно, что для обеспечения эффективных, воспроизводимых режимов работы источников плазмы необходимо, чтобы

Peen-Ppl» Pant, (8)

что эквивалентно требованию:

Rpl»Ranf. (9)

Наиболее простым решением проблемы является уменьшение эффективного сопротивления антенны. Однако существенное уменьшение Rant не всегда возможно. Как правило, эффективное сопротивление внешней цепи Rant, измеренное в различных постановках эксперимента, изменяется в пределах 0.2 - ЗОм, причем низкие значения Rant характерны для экспериментов со стеклянными газоразрядными трубками без близко расположенных металлических элементов установок.

Рассмотрим теперь абсолютные значения эквивалентного сопротивления плазмы. Начнем с разряда без магнитного поля. Расчеты показали, что абсолютные значения эквивалентного сопротивления тем больше, чем больше радиус источника, однако, даже максимальное значение эквивалентного сопротивления плазмы источника радиусом 50см немногим превосходит Юм. Это означает, что в плазму низкого давления источников радиуса 2.5см при сопротивлении внешней цепи 10м можно вложить максимум 30% мощности, отдаваемой ВЧ генератором во внешнюю цепь, при этом 70% мощности пойдут на нагрев антенны, элементов системы согласования и т.д. Увеличение радиуса источника позволяет получить более благоприятный результат, однако и здесь добиться вложения хотя бы 80% мощности ВЧ генератора в плазму практически невозможно. Повысить эквивалентное сопротивление плазмы, как показали расчеты, удается при увеличении давления газа и при подборе оптимальной частоты. При необходимости разработки устройств, работающих при плотностях плазмы Ю10< пг <1011см"3 наилучший ввод ВЧ мощности в плазму можно обеспечить, работая на частотах 6 - 13МГц. При необходимости получения более высоких концентраций плазмы 1011<л,<1012 см"3 и ne> 1012 см""3 , характерных для плазменных реакторов, применяемых для травления полупроводников, целесообразно повысить частоту до 27МГц и 41МГц соответственно.

В разряде низкого давления с внешним магнитным полем величины эквивалентного сопротивления плазмы существенно выше, чем значения, полученные без магнитного поля. Также как в случае ВЧ индуктивных источников плазмы без магнитного поля значения эквивалентного сопротивления возрастают с ростом радиуса источника плазмы и при R>10cm обеспечивают практически полное поглощение ВЧ мощности, отдаваемой генератором во внешнюю цепь. Если в случае дискообразных источников плазмы, оснащенных торцевой спиральной антенной, при отсутствии магнитного поля величины эквивалентного сопротивления не зависели от длины источника плазмы, то в случае удлиненного цилиндрического источника возможно

величение Яр/ при увеличении длины газоразрядной камеры. Расчеты показали, что то может оказаться полезным при разработке устройств малого радиуса, значения Яр, 1Я которых малы также как и в случае ВЧ источников без магнитного поля.

Ранее отмечалось, что увеличение давления рабочего газа приводит к величению эквивалентного сопротивления плазмы ВЧ индуктивного разряда без агнитного поля. В случае магнитных полей, соответствующих области возбуждения еликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн, как отмечалось ыше, ситуация прямо противоположная - пиковые значения убывают с ростом авления нейтрального газа. Этот факт свидетельствует в пользу использования «геликонных» режимов ВЧ разряда при разработке источников плазмы низкого давления.

Значения эквивалентного сопротивления, полученные при различных способах и условиях возбуждения плазмы, позволяют сформулировать ряд выводов о возможных путях повышения эффективности ввода ВЧ в плазму низкого давления. При давлениях выше 1 СГ2Тор наилучший способ организации разряда - это индуктивный разряд без магнитного поля, где превалирует столкновительный механизм поглощения ВЧ мощности. Понижение давления и роли столкновительных механизмов поглощения ВЧ мощности приводят к необходимости усиления бесстолкновительного поглощения ВЧ мощности, что в области низких концентраций электронов возможно при условии ЭЦР, а в области более высоких концентраций - при возбуждении геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волны. В области низких давлений ВЧ мощность лучше вкладывается в источники большого радиуса, повысить эффективность ввода ВЧ мощности в источники малого радиуса возможно при увеличении длины источника или при увеличении рабочей частоты.

Источники плазмы, рассчитанные на более высокие концентрации электронов должны быть оснащены магнитной системой, создающей относительно более высокие магнитные поля, чем рассчитанные на более низкие плотности плазмы.

Очевидно, что срывы разряда, гистерезис в зависимости параметров плазмы от внешних условий существования разряда являются крайне неприятными эффектами с точки зрения организации рабочих режимов индуктивных источников плазмы. В случаях, когда эффективное сопротивление антенны велико, представляется целесообразным использование емкостной составляющей разряда, позвопяющей стабилизировать плазму.

Возможные решения задачи о получении максимально возможной плотности ппазмы при заданной вложенной мощности хорошо известны из физики и техники источников плазмы и ионов, работающих от источников постоянного напряжения.

Повышение плотности плазмы при заданном уровне мощности может быть достигнуто за счет выбора оптимального соотношения между длиной и диаметром источника плазмы, конфигурации и величины внешнего магнитного поля. Однако в случае с ВЧ источниками плазмы эти условия должны быть согласованы с условиями эффективного поглощения ВЧ мощности. Как правило, это приводит к существенному изменению оптимальных конструктивных параметров источников плазмы.

В главе 4 подробно рассмотрены закономерности изменения пространственного распределения плотности плазмы при изменении магнитного поля и длины источников плазмы. Показано, что наиболее однородную плазмы можно получить, используя магнитные поля, близкие к магнитному полю Втах, при котором эквивалентное сопротивление плазмы достигает максимума.

В главе 7 представлены результаты разработки индуктивного ВЧ источника ионов для космических и наземных приложений. В соответствии с выводами, сделанными в Главе 6, в качестве рабочего процесса был использован индуктивный ВЧ разряд, помещенный в магнитное поле, величина которого соответствует области возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Параметры разработанных устройств не уступают мировым аналогам.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Выполнено комплексное, систематическое исследование поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда низкого давления при отсутствии внешнего магнитного поля. Показано, что эффективность поглощения ВЧ мощности (эквивалентное сопротивление плазмы) немонотонно зависит от ппотности плазмы: в области низких концентраций электронов эквивалентное сопротивление плазмы растет с плотностью плазмы, в области высоких концентраций эквивалентное сопротивление падает. При низких давлениях область малых концентраций электронов соответствует случаю слабой пространственной дисперсии, здес эквивалентное сопротивление плазмы растете с концентрацией электронов. Напротив, в области высоких концентраций электронов, когда преобладав бесстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скин-эффекта зависимость эквивалентного сопротивления от концентрации электронов являете убывающей. В целом же немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления о ппотности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, поглощени ВЧ мощности растет с ростом концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ мощности, убывает с ростом пе. Пр минимальном из рассмотренных давлений р=0.1мТор подавляющим являете

черенковский механизм диссипации. Электрон-атомные столкновения практически не оказывают влияния на величины эквивалентного сопротивления, а электрон-ионные столкновения приводят лишь к незначительному повышению эквивалентного сопротивления при пе>3-1011ст"3. Увеличение давления, т.е. частоты электрон-атомных столкновений приводит к росту эквивалентного сопротивления за счет повышения роли столкновительного механизма поглощения ВЧ мощности.

2. Выполнено комплексное, систематическое исследование эффективности и механизмов поглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченных индуктивных источников плазмы низкого давления при наличии внешнего магнитного поля. Показано, что в ограниченных источниках плазмы возможно возбуждение объемных, связанных друг с другом геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Область существования объемных волн сужается при уменьшении длины источника плазмы и с ростом давления рабочего газа. При условиях, соответствующих области возбуждения объемных волн, зависимость эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) от величины магнитного поля носит существенно немонотонный характер. Локальные максимумы эквивалентного сопротивления соответствуют областям резонансного возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Поглощение ВЧ мощности плазмой при давлениях менее ЮмТор определяется главным образом поглощением квазипродольной волны, доминирующим механизмом диссипации является бесстолкновительное черенковское поглощение. Увеличение частоты столкновений, вызванное увеличением давления газа или ростом электрон-ионных столкновений с ростом плотности плазмы приводит к сглаживанию зависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля и понижению абсолютных значений эквивалентного сопротивления. Кроме того, с ростом частоты столкновений амплитуда квазипродольной косой ленгмюровской волны понижается, и ее ВЧ поля перестают проникать в объем плазмы. С ростом частоты столкновений амплитуда и проникновение геликона в плазму не изменяются.

3. Показано, что при горении индуктивного ВЧ разряда в режиме, когда эквивалентное сопротивление плазмы меньше или порядка эффективного сопротивления антенны, происходит самосогласованное перераспределение мощности между плазмой и активным сопротивлением внешней цепи, которое проявляется:

• в существовании двух мод индуктивного ВЧ разряда с сильно различающейся плотностью плазмы;

• в появлении гистерезиса параметров плазмы при переходе разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью и обратно;

• в появлении гистерезиса параметров плазмы при увеличении и уменьшении внешнего магнитного поля;

• в насыщении зависимости концентрации плазмы от мощности ВЧ генератора в области высоких концентраций электронов;

• в ограничении при наличии внешнего магнитного поля области существования разряда со стороны больших магнитных полей;

• немонотонной зависимости плотности плазмы от внешнего магнитного поля. Выполнено комплексное исследование влияния емкостной составляющей разряд на ввод ВЧ мощности через индуктивный канал и параметры плазмы. Показано, чт наличие емкостной составляющей разряда приводит к изменению доли мощности поступающей в разряд через индуктивный канал. Увеличение за счет вклад мощности через емкостной канал концентрации электронов выше величины характерной для чисто индуктивного разряда, приводит к увеличению вклада В мощности через индуктивный канал при условии, что плотность плазмы ниж величины, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума. Эт проявляется в смещении положения перехода разряда из моды с низко плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавному переходу и «низкой» моды разряда в «высокую» и исчезновению гистерезиса. Увеличение з счет вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов выш величины, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимум приводит к уменьшению вклада ВЧ мощности через индуктивный канал. В связи этим физически не оправдано сопоставление мод индуктивного ВЧ разряда низкой и высокой концентрацией электронов с емкостной и индуктивной модами, т. наличие одного канала ввода мощности в плазму приводит к изменению дол мощности, поступающей в плазму через другой канал.

5. Разработана самосогласованная модель пространственно ограниченнь индуктивных ВЧ источников плазмы низкого давления, учитывающая потери В мощности во внешней цепи разряда и наличие независимого емкостного кана ввода мощности. Модель позволяет рассчитать параметры плазмы и дол мощности, поглощенную плазмой на основании известных мощностей генераторов, питающих индуктивный и емкостной канал, эффективно сопротивления антенны, площади обкладок конденсатора и величи квазистационарного приэлектродного скачка потенциала, геометрических размер источника плазмы, давления и величины внешнего магнитного поля.

. Разработаны рекомендации, позволяющие оптимизировать работу индуктивных источников плазмы низкого давления. Показано, что при давлениях выше ЮмТор наилучший способ организации разряда - это индуктивный разряд без магнитного поля, где превалирует столкновительный механизм поглощения ВЧ мощности. Понижение давления и роли столкиовительных механизмов поглощения ВЧ мощности приводят к необходимости усиления бесстолкновительного поглощения ВЧ мощности, что в области низких концентраций электронов возможно при условии ЭЦР, а в области более высоких концентраций - при возбуждении объемных геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. В области низких давлений ВЧ мощность лучше вкладывается в источники большого радиуса. Повысить эффективность ввода ВЧ мощности в источники малого радиуса возможно при увеличении длины источника или при увеличении рабочей частоты. 7. Разработаны прототипы источников ионов для космических и наземных технологий.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Т. Б. Антонова, Г.Э. Бугров, Е.А. Кралькина, В.А. Обухов. Исследование механизма ионизации и возбуждения Хе1 в газоразрядной плазме низкого давления. Рук. деп. в ВИНИТИ N 7415-В88.

2. Т.Б. Антонова, Г.Э. Бугров, Е.А. Кралькина, В.А. Обухов. Влияние быстрых электронов на свойства разряда в источниках ионов инертных газов низкого давления. Рук. деп. в ВИНИТИ N 7414-В88.

3. Л.А. Гончарое, Е.А. Кралькина, В.А. Обухов. Исследование параметров плазмы в ксеноновом разряде с расходящимся магнитным полем. В тр.1 Вс. н.-т.конф. "Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков". Алушта, 1988, с. 191

4. Г.Э. Бугров, Л.А. Гончарое, Е.А. Кралькина, В.А. Обухов. Study of non-monotonous EEDF in Xe low pressure discharge. Proc.of XIX lCPIG, Belgrade, 1989, Cont. Pap.,p1,P.212

5. Г.Э. Бугров, Е.А. Кралькина, B.A. Обухов, Е.С. Ситин. Экспериментальное исследование и численное моделирование процессов в плазменном эмиттере ионов ксенона с периферийным магнитным полем. Радиотехника и электроника, XXXIV.9.1989, стр 1952.

6. T.B.Antonova, G.T.Bugrov, Е.А. Kralkina, V.A.Obukhov, J.Krempel-Heesse, J.Krumeich. Experimental Study of FEDF in inductively conpled Xe RF-discharge. Proc.of XI ESCAMPIG St.-Peterburg 1992 Contrib. Paperes, p.113 -114.

7. А.Ф.Александров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралькина, В.А.Обухов, А.А.Рухадзе. Теория квазистатических плазменных источников. ЖГФ, 64, N11, стр.53 - 58

8. А.Ф.Александров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралькина, Г.Э.Бугров, С.Г.Кондранин,

B.А.Обухов, А.А.Рухадзе. Высокочастотные источники плазмы низкой мощности. Прикладная физика, 1995, No1, стр. 3 - 22.

9. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Г.Э.Бугров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралькина, A.B. Калинин, С.Г.Кондранин, В.А.Обухов, А.А.Рухадзе. Экспериментальное исследование свойств ВЧ разряда, помещенного в магнитное поле. ФНТП-95 Материалы конференции том.2, стр 224 - 225.

10. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Г.Э.Бугров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралькина,

C.Г.Кондранин, В.А.Обухов, А.А.Рухадзе. The low power HF ion source. Procceed.of XXI ICPIG, 1995, Hoboken USA v.4.

11. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Г.Э.Бугров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралькина, С.Г.Кондранин, В.А.Обухов, А.А.Рухадзе. Study of the properties of low Pressure low power HF-discharge located in an external magnetic field. Procceed.of XXI ICPIG, 1995, Hoboken USA v.4.

12. A.F. Alexandrov, T.B. Antonova, G.E. Bugrov, N.Vorobliev, A.F. Kalinin, S.Kondranin, E.A. Kralkina, V.Obukhov, A.Rukhadze. The revealing of optimal regimes of HF low powe input in limited magnetoactive plasma for development of HF ion thruster of the new type. 24 th International electric propulsion conference. Moscow, Russia, 1995.

13. A.F. Alexandrov, T.B. Antonova, G.E. Bugrov, N.Vorobliev, G.Noci, N.Kutufa, S.Kondranin, E.A. Kralkina, V.Obukhov, A. Rukhadze. The low power HF ion thruster. 24-t International electric propulsion conference. Moscow, Russia,1995, p. 1 - 15.

14. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Н.Ф.Воробьев, Г.Э.Бугров, С.Г.Кондранин Е.А.Кралькина, В.А.Обухов, Г.А.Попов, А.А.Рухадзе. Способ получения ионов источник ионов для его осуществления. Патент РФ 2095877.

15. Е.А. Kralkina, S.G. Kondranin, S.K Koh, H.G. Jang, W.K. Choi, H.-J. Jung T.B. Antonova, G.E. Bougrov, V.B. Pavlov, A.A. Rukhadze, A.F. Alexandrov. Characteristic of Low Power HF 10-cm Technological Ion Source. Proceedings of XXIII Intematio Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 1997, Toulouse - France, pp Ш-88.

16. K.P. Shamrai, A.F. Alexandrov, G.E. Bougrov, V.F. Virko, V.P. Katiukha, S.K Koh G.S. Kirichenko, E.A. Kralkina, A.A. Rukhadze. Quasistatic Plasma Sources: Physica

rinciples, Modelling Experiments, Application Aspects. Proceedings of XXIII Internation onference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 1997, Toulouse - France.

7. S.K . Koh, H.G. Jang, W.K. Choi, H.-J.Jung, .G. Kondranine, E.A. Kralkina. Design nd test of the new partially ionized beam source. Review of Scientific Instruments. Vol.

7. No. 12, December 1996, pp 4114-4116.

8. T. Antonova, G. Bougrov, A. Bougrova, Won-Kook Choi, L. Goncharov, Hyung Jin ung, Seoh-Keun Koh, S. Kondranin, E.A. Kralkina, E. Sitin, V. Obukhov. Study of Electron nergy Distribution Functions (EEDFs) in Three DC Low-Pressure Plasma Sourse. Jpn. J. ppl. Phys. Vol. 37 (1998) pp 6906 - 6915.

9. Won-Kook Choi, Hyung Jin Jung, Seoh-Keun Koh, S. Kondranin, E.A. Kralkina, .M.Volkova, A.M.Devyatov, T.B.Antonova, G.E.Bougrov, N.F.Vorobjev. Determination of the eutral particles spatial distribution from intensity of plasma radiation. J. of Korean Physical ociety v.32, N2, 1998, pp.280-285.

0. Won-Kook Choi, Hyung Jin Jung, Seoh-Keun Koh, S. Kondranin, E.A. Kralkina, T.B.Antonova, G.E.Bougrov, N.F.Vorobjev. The Mathematical simulation of excitation processes in xenon low-pressure plasmas J. of Korean Physical Society v.32, N2, 1998, pp.195-199

21. Г.Э.Бугров, K.B. Вавилин, С.Г.Кондранин, E.A. Кралькина, В.Б.Павлов. Экспериментальное исследование параметров плазмы в источнике ионов с холодным катодом. X Конференция по физике газового разряда. Рязань, 2000 стр. 121.

22. Г.Э.Бугров, К.В. Вавилин, Е.А. Кралькина. Разработка плазменного реактора малой мощности. X Конференция по физике газового разряда. Рязань, 2000 стр. 123

23. А.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, К.В. Вавилин, Е.А. Кралькина, В.Ю. Сергиенко, И.Б. Тимофеев, Б.И. Тимофеев. Исследование возможности модификации поверхности полимеров при их обработке в разряде при атмосферном давлении. X Конференция по физике газового разряда. Рязань, 2000. стр. 193.

24. G.E. Bugrov, S.K. Kondranin, Е.А. Kralkina, V.B . Pavlov, K.V. Vavilin. Study of plasma parameters in the "cold cathode" ion source. Proc.of XI ESCAMPIG, August 2000 Hungary.

25. A.F.AIexandrov, G.E.Bougrov, E.A.Kralkina, A.A.Rukhadze, K.V.Vavilin. Development of RF low power plasma reactor prototypes. Proc.of XV ESCAMPIG, August 2000 Hungary.

26. A.F. Alexandrov, G.E. Bougrov, S.K. Kondranin, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov, A.A. Rukhadze, K.V. Vavilin. Development of Low Power 13.56MHz Ion Source Family.

Proceedings of XXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 Ju 2001 Nagoya, Japan vol. 1 pp.33-34.

27. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Г.Э.Бугров, С.Г.Кондранин, Е.А.Кралькин А.А.Рухадзе. Газоразрядное устройство. Патент РФ 2121729.

28. A.F. Alexandrov, G.E. Bougrov, S.K. Kondranin, E.A. Kralkina, V.B. Pavlo A.A. Rukhadze, V.Yu. Sergeenko, LB. Timofeev, K.V. Vavilin. 13.56MHz discharge atmospheric pressure & its possibilities for material surface modification. Proceedings of XX International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 2001 Nagoya, Jap vol. 1 pp.35-36.

29. G.E.Bugrov, S.K.Kondranin, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, and K.V.Vavilin. Developme of "cold cathode" ion source family. Proceedings of XXV International Conference Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 2001 Nagoya, Japan vol. 4, pp.97-98.

30. G.E.Bugrov, S.K.Kondranin, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, K.V.Vavilin, Heon-Ju Le Development and test of ion source with small orifice cold cathode. J. of Korean Vacuu Science & Technolojy, 5, pp.19-24 (2001).

31. A.F.AIexandrov, G.E.Bougmv ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V. Pavlov, V.J. Plaksin, A.A. Rukhadze, K.V. Vavilin. The Inductive Discharge Plas Parameters Calculation in Conditions of External Magnetic Field. Proceedings of the 30-Internationa) (Zvenigorod) Conference of Plasma Physics and Controlled Fusion. Zvenigoro Russia, February 24-28, 2003. Contributed papers, T3.

32. A.F.AIexandrov, G.E.Bougmv ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V. Pavlov, V.J. Plaksin, A.A. Rukhadze, К. V. Vavilin. An Absorption of RF Power by Inducti Discharge Plasma Placed in External Magnetic Field Experimental Study. Proceedings of t 30-th International (Zvenigorod)Conference of Plasma Physics and Controlled Fusio Zvenigorod, Russia, February 24-28,2003. Contributed papers, T4.

33. A.F.AIexandrov, G.E.Bougmv ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V. Pavlov, V.J. Plaksin, A.A. Rukhadze, K.V. Vavilin. Self-consistent model of RF inducti plasma source located in the external magnetic field. Lomonosov Readings, MSU, Physic Faculty, April 18-25,2003, Annotation, pp. 90-92.

34. A.F.AIexandrov, G.E.Bougmv ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V. Pavlov, V.J. Plaksin, A.A. Rukhadze, K.V. Vavilin. RF discharge at medium and hi pressure and its possibilities for material surface modification. Ill International Symposiu Thermo Chemical Processes in Plasma Aerodynamics. St. Petersburg, Russia, July 2003.

A.F.AIexandrov, V.B. Pavlov, E.A.Kralkina, V.P. Savinov, V.Yu. Sergeenko, I.B. mofeev, G.E. Bugrov, K.V. Vavilin, V.Yu. Plaksin, Yong Son Мок Heon-Ju Lee. RF scharge at Atmospheric Pressure and the Effects on Material Surface Property. The 5-th ternational Symposium on pulsed Power and Plasma Applications (ISPP-2004). October, -20, 2004. KERI, Chang-Won, Korea.

А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин И.К. Керимова, С.Г. Кондранин, .А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. The Self-Consistent Model of elicon" Plasma Source. IV International Conference Plasma Physics and Plasma echnology.

insk, Belarus, September 15-19, 2003. Contributed papers 1.33.

7. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, K.B. Вавилин И.К. Керимова, С.Г. Кондранин, .А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. Comparative Analysis of ifferent Surface Modifications Methods. IV International Conference Plasma Physics and lasma Technology Minsk, Belarus, September 15-19, 2003. Contributed papers 4.24.

8. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, K.B. Вавилин И.К. Керимова, С.Г. Кондранин, .А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. The efficiency of RF power ad in low pressure discharge. Russian conference of Physical Electronics Mahachkala, ussia, September 23-26,2003. Contributed papers, 95-98.

9. G.E. Bugrov, S.G. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, D.V. Savinov, K.V.Vavi!in, eon-Ju Lee. Optimisation of cold cathode ion source model. Current Applied Physics, (2003), 485-489.

0. A.F. Aleksandrov, G.E. Bugrov, I.F. Kerimova, S.G. Kondranin, V.B. Pavlov, V.Yu. Plaksin, A.A.Rukhadze, K.V.Vavilin. Self-consistent model of RF inductive plasma/ion source located in the external magnetic field. Journal of Russian Laser Research, 2003, v.24, No 4, pp. 301-321.

41. А.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, К.В.Вавилин И.К.Керимова, С.Г.Кондранин, ЕА Кралькина, В.Б.Павлов, В.Ю.Плаксин, АЛ.Рухадзе. Самосогласованная модель ВЧ индуктивного источника плазмы, помещенного во внешнее магнитное поле. Физика плазмы, 2004, том 30, №5, стр 434-449.

42. Г.Э. Бугров, С.Г. Кондранин,Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов. Плазменный источник ионов с ленточным пучком (варианты). Патент РФ 2151438.

43. А.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, К.В. Вавилин, С.Г. Кондранин, Е.А. Кралькина,В.Ю. Плаксин, В.Ю. Сергиенко, И.Б. Тимофеев, Б.И. Тимофеев. Способ плазменной

обработки материалов, способ генерации плазмы и устройство для плазменной обработки материалов. Патент РФ 2196394.

44. К.В.Ваваилин, Е.А.Кралькина, А.А.Рухадзе. К обоснованию несамосогласованной теории радиочастотного источника плазмы. Краткие сообщения по физике, N8, с. 44, (2004).

45. Александров А.Ф., Бугров Г.Э., Вавилин К.В., Кралькина Е.А., Павлов В.Б., Плаксин В.Ю., Рухадзв А.А. Физические принципы разработки ВЧ-индукгивных источников плазмы низкого давления. Наукоемкие технологии, No 1,2005, т.6, стр. 5.

46. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. Исследование индуктивного ВЧ разряда, как самосогласованной системы. I. Особенности, наблюдавшиеся при экспериментальном исследовании индуктивного ВЧ разряда, помещенного во внешнее магнитное поле. Прикладная физика, 2005, №4, стр. 70 - 74.

47. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. Исследование индуктивного ВЧ разряда, как самосогласованной системы. И. Исследование параметров плазмы и эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда низкого давления. Прикладная физика, 2005, № 5, стр. 72 - 78.

48. A.F.AIexandrov, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, A.A.Rukhadze, A.I.Bugrova, G.E.Bugrov, K.V.Vavilin. On the possibilities of RF ion thrusters optimization. Proceedings of XXIX IEPC, Princeton 2005, p.1-17.

49. А.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, К.В.Вавилин, И.Ф.Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б.Павлов, В.Ю.Плаксин, А.А.Рухадзе, В.П.Савинов. Исследование индуктивного ВЧ разряда, как самосогласованной системы. III. Исследование влияния емкостной составляющей на параметры плазмы индуктивного ВЧ разряда низкого давления. Прикладная физика, 2006, № 1 стр. 36 - 42.

50. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзв. Исследование индуктивного ВЧ разряда, ка самосогласованной системы. IV. Результаты исследования эквивалентног сопротивления индуктивного ВЧ разряда низкого давления без магнитного поля. Прикладная физика, 2006, № 2 стр. 41 - 46.

51. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. Исследование индуктивного ВЧ разряда, ка самосогласованной системы. V. Результаты исследования эквивалентног

38

сопротивления индуктивного ВЧ разряда низкого давления при наличии внешнего агнитного поля. Прикладная физика, 2006, № 4 стр. 54 - 59.

2. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, .Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. Исследование индуктивного ВЧ разряда, как амосогласованной системы. VI. Математическое моделирование индуктивного ВЧ азряда (самосгласованная модель). Прикладная физика, 2006, № 5 стр. 33 - 38.

3. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, .Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе, В.П. Савинов. Исследование индуктивного ВЧ азряда, как самосогласованной системы. VII. Математическое моделирование ндуктивного ВЧ разряда с емкостной компонентой (самосогласованная модель), рикладная физика, 2006, № 5 стр. 39 - 46.

A.F. Aleksandrov, I.F. Kerimova, Е.А. Kralkina, V.B. Pavlov, А.А. Rukhadze, nd У.P. Savinov. Influence of the capacitive component on the parameters of the low ressure RF inductive discarge. V International Conference Plasma Physics and Plasma echnology.

insk, Belarus, September 18-22, 2006. Contributed papers v.1 pp.7 -10

5. A.F. Aleksandrov, I.F. Kerimova, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov, A.A. Rukhadze, nd V.P. Savinov. Study of the histeresis of the RF inductive discharge plasma density ependence on the RF generator power. V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, September 18-22,2006. Contributed papers v.1 pp.70 -3.

56. A.F. Alexandrov, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov, V.P. Savinov, V.Yu. Sergeenko, LB. Timofeev, G.E. Bugrov, K.V. Vavilin, V.Yu. Plaksin, Young Son Mok and Heon-Ju Lee. The frequency effect on atmospheric pressure RF discharge surface modification. Journal of Ceramic Processing Research. Vol. 8, No. 1, pp. 64~69 (2007).

57. А.Ф. Александров, К.В. Вавилин, E.A. Кралькина, В.Б. Павлов, А.А. Рухадзе. Особенности индуктивного ВЧ разряда низкого давления. I (эксперимент). Физика плазмы, 2007, том 33, №9, стр 802-815.

58. А.Ф. Александров, К.В. Вавилин, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, А.А. Рухадзе. Особенности индуктивного ВЧ разряда низкого давления. II (математическое моделирование). Физика плазмы, 2007, том 37, №9, стр 816 - 827.

59. A.F. Alexandrov, K.V. Vavilin, I.F. Kerimova, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov, A.A. Rukhadze, V.P. Savinov. The role of the capacitive component in the low pressure RF

inductive discharge. XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases Jul 15 - 20 2007, Prague, Czech Republic, 5P09-10.

60. A.F. Alexandrov, K.V. Vavilin, I.F. Kerimova, E.A. Kralkina, V.B. Pavlo A.A. Rukhadze, V.P. Savinov. One more mechanism leading to the hysteresis of the R inductive discharge transition from low to high density mode. XXVIII Internation Conference on Phenomena in Ionized Gases July 15 - 20 2007, Prague, Czech Republi 5P09-11.

61. А.Ф.Александров, К.В.Вавилин, И.Ф.Керимова, Е.А.Кралькина, В.Б.Павло Н.Н.Плахотный, А.А.Рухадзе, В.П.Савинов. Влияние сопротивления антенны н переход индуктивного ВЧ разряда из моды с низкой концентрацией электронов в мод с высокой концентрацией. Тезисы докладов XXXY Международной (Звенигорода«)" конференции по физике плазмы и УТС, с.331, 2008.

62. А.Ф.Александров, К.В.Вавилин, .Е.А.Кралькина, И.С.Максимов, В.Б.Павло А.А.Рухадзе, В.П.Савинов. Изучение гибридного ВЧ разряда. Тезисы докладов XXX Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, с.ЗЗЗ, 2008

63. А.Ф.Александров, К.В.Вавилин, Е.А.Кралькина, В.Б.Павлов, В.П.Савин П.А.Юрьев. Изучение параметров «полого катода», работающего на высокочастотно газовом разряде. Тезисы докладов XXXY Международной (Звенигородско конференции по физике плазмы и УТС, с.332, 2008.

64. Е.А.Кралькина. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления возможности оптимизации источников плазмы на его основе. УФН, том 178, №5, 51 540, (2008).

Подписано к печати Тираж 4ПП Заказ 44.4

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Введение

Глава 1. Индуктивный ВЧ разряд низкого давления.

Методы получения и исследования.

1.1. Введение

1.2. Способы получения индуктивного ВЧ разряда.

1.3. Схема устройств, работающих на индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля.

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

1.5. Эквивалентная электрическая схема разряда.

1.6. Понятие эквивалентного сопротивления.

1.7. Баланс мощности во внешней цепи индуктивного ВЧ разряда.

1.8. Самосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда низкого давления.

1.9. Экспериментальные установки и базовые методики измерений.

Глава 2. Исследование поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного

ВЧ разряда низкого давления при отсутствии магнитного поля

2.1. Обзор литературы

2.2. Экспериментальное исследование эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного ВЧ разряда низкого давления

2.3. Численное моделирование поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда низкого давления

2.4. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования

Глава 3. Исследование поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда низкого давления при наличии внешнего магнитного поля

3.1. Обзор литературы

3.2. Экспериментальное исследование эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного ВЧ разряда низкого давления, помещенного во внешнее магнитное поле

3.3. Теоретическая модель индуктивных источников плазмы низкого давления с внешним магнитным полем

3.4. Области существования объемных волн

3.5. Резонансы

3.6. Боковая спиральная антенна

3.7. Боковая антенна с продольным током (/=0). Результаты численного моделирования

3.8. Антенны с />0. Результаты численного моделирования

Глава 4. Особенности индуктивного ВЧ разряда низкого давления, горящего в режиме Rpi<Rant

4.1. Особенности индуктивного ВЧ разряда, наблюдаемые при изменении величины магнитного поля

4.2. Особенности индуктивного ВЧ разряда, наблюдаемые при изменении величины мощности ВЧ генератора

4.4. Динамика параметров плазмы и величины поглощенной ВЧ мощности при изменении внешнего магнитного поля

4.5. Влияние эффективного сопротивления антенны на свойства индуктивного ВЧ разряда

4.6. Численное моделирование индуктивного ВЧ разряда. (Самосогласованная модель разряда).

Глава 5. Влияние емкостной составляющей на свойства индуктивного ВЧ разряда

5.1 Методика эксперимента

5.2. Результаты экспериментов

5.3. Самосогласованная модель разряда с независимыми индуктивным и емкостным каналами

5.4. Результаты математического моделирования

5.5. Гибридный разряд

Глава 6. О возможности оптимизации индуктивных источников плазмы низкого давления

6.1. Как выбрать схему источника плазмы и оптимизировать ввод мощности в плазму

6.2. Как получить максимально возможную плотность плазмы в источнике при заданном уровне мощности

6.3. Параметры, влияющие на пространственное распределение плотности плазмы

6.4. Как обеспечить стабильную работу источника плазмы и облегчить поджиг разряда

Глава 7. Разработка перспективных моделей ВЧ источников плазмы

Актуальность темы.

Одним из важнейших вопросов организации плазменного технологического процесса является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, оптимальными для данного технологического процесса, например, высокой однородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, концентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболее перспективными для применения в промышленных технологиях являются индуктивные ВЧ источники плазмы, так как они позволяют получать высокую плотность плазмы при относительно невысоком уровне ВЧ мощности, обрабатывать не только проводящие, но и диэлектрические материалы, использовать в качестве рабочих химически активные газы. В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников плазмы: это традиционные индуктивные источники плазмы без магнитного поля, где разряд возбуждается спиральной антенной, а также источники плазмы, усиленные магнитным полем. Очевидно, что развитие ионно-пучковых и плазменных технологий неизбежно приводит к повышению требований к возможностям и параметрам источников плазмы, дает новый толчок к переосмыслению концепций и усовершенствованию устройств. Такая работа может быть выполнена только на основе детального понимания физических процессов, происходящих в индуктивном ВЧ разряде при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля. Одной из центральных задач физики источников плазмы является исследование закономерностей энерговклада в плазму разряда и выявление областей параметров плазмы, при которых поглощение ВЧ мощности происходит наиболее эффективно. Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За эти годы накоплен огромный экспериментальный материал, построен ряд теоретических моделей, проясняющих механизмы поглощения ВЧ мощности. Вместе с тем обзор литературы показывает, что вопрос о закономерностях вложения мощности в пространственно ограниченные индуктивные источники плазмы низкого давления, особенно при наличии магнитных полей, соответствующих условиям возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн, исследован далеко не полностью. Не изучено в полной мере влияние потерь ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы на свойства разряда. Не потерял актуальности и вопрос о роли емкостной составляющей разряда в балансе мощности, поступающей в плазму индуктивного ВЧ разряда. Это означает, что отсутствует последовательная физическая модель пространственно ограниченных индуктивных источников плазмы малой мощности, которая описывала бы физические механизмы поглощения ВЧ мощности в широком диапазоне условий существования плазмы, проясняла бы влияние внешней цепи, а также емкостной составляющей разряда на величину энерговклада в плазму и ее параметры, как при отсутствии, так и при наличии внешнего магнитного поля. Восполнить существующий пробел возможно только опираясь на фундаментальные исследования, т.е. эксперименты и численное моделирование, выполненные в широком диапазоне физических параметров, а также на сопоставление полученных результатов с выводами теоретических моделей. Исследование детальной картины поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда позволит создать основу для разработки перспективных моделей технологических источников плазмы.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей вложения мощности в пространственно ограниченные индуктивные источники плазмы низкого давления, нахождение ключевых параметров, позволяющих оптимизировать вложение мощности в плазму индуктивных ВЧ источников низкого давления и разработку перспективной модели источника ионов для технологических приложений.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

• выявления доминирующих механизмов, определяющих поглощение ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкого давления без магнитного поля и при наличии внешнего магнитного поля, величина которого соответствует области возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн; изучения особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, при которых существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепью разряда; изучения влияния емкостной составляющей разряда на ввод мощности через индуктивный канал и параметры индуктивного ВЧ разряда низкого давления; построения самосогласованной модели индуктивного ВЧ разряда низкого давления, учитывающего потери ВЧ мощности во внешней цепи разряда и наличие емкостного канала ввода мощности; выявления ключевых факторов, влияющих на эффективность поглощения ВЧ мощности плазмой и выработку рекомендаций, необходимых для разработки перспективных моделей источников плазмы; разработку перспективных источников ионов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Выполнено комплексное, систематическое исследование поглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкого давления без магнитного поля. Выполнены экспериментальные исследования и численное моделирование эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) при изменении плотности плазмы, давления и рода нейтрального газа, геометрических размеров источников плазмы. Показано, что эффективность поглощения ВЧ мощности (эквивалентное сопротивление плазмы) немонотонно зависит от концентрации электронов вследствие конкуренции двух факторов - роста количества участвующих в поглощении электронов за счет повышения их концентрации и уменьшения количества поглощающих электронов за счет уменьшения ширины скинслоя. При давлении меньшем, чем ІмТор, механизм поглощения мощности носит черенковский характер, при давлениях более ЮОмТор -столкновительный. Росту эффективности поглощения ВЧ мощности способствует увеличение давления нейтрального газа, радиуса источника плазмы и выбор рабочей частоты в соответствии с требуемой плотностью плазмы.

2. Выполнено комплексное, систематическое исследование эффективности и механизмов поглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченных индуктивных источников плазмы низкого давления при наличии внешнего магнитного поля. Показано, что в ограниченных источниках плазмы возможно возбуждение объемных, связанных друг с другом геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Область существования объемных волн сужается при уменьшении длины источника плазмы и с ростом давления рабочего газа. При условиях, соответствующих области возбуждения объемных волн, зависимость эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) от величины магнитного поля носит существенно немонотонный характер. Локальные максимумы эквивалентного сопротивления соответствуют областям резонансного возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Поглощение ВЧ мощности плазмой при давлениях менее ЮмТор определяется главным образом поглощением квазипродольной волны, доминирующим механизмом диссипации является бесстолкновительное черенковское поглощение. Рост давления выше ЮмТор приводит понижению роли черенковского механизма поглощения, к сглаживанию зависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля и к понижению абсолютных значений эквивалентного сопротивления.

3. Выполнены систематические экспериментальные исследования параметров плазмы индуктивного ВЧ разряда низкого давления. Параметры разряда сопоставлены с величиной мощности, поглощаемой плазмой, при этом выявлен самосогласованный характер режимов разряда, при которых существенны потери во внешней цепи. Показано, что самосогласованный характер разряда проявляется в немонотонном изменении плотности плазмы при изменении величины внешнего магнитного поля, срывах разряда, гистерезисе параметров плазмы при увеличении и уменьшении величин внешнего магнитного поля и мощности ВЧ генератора, насыщении плотности плазмы при увеличении мощности ВЧ генератора.

4. Построена самосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда низкого давления, учитывающая затраты ВЧ мощности на нагрев и поддержание плазмы, а также потери во внешней цепи. На основании модели объяснены наблюдавшиеся особенности разряда в источниках плазмы.

5. Выполнено экспериментальное исследование влияния емкостной составляющей разряда на ввод ВЧ мощности через индуктивный канал и параметры плазмы. Показано, что наличие емкостной составляющей разряда приводит к изменению доли мощности, поступающей в разряд через индуктивный канал. Это приводит к уменьшению пороговой мощности, при которой происходит переход из моды разряда с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавному изменению параметров плазмы в области перехода и исчезновению гистерезиса.

6. Построена самосогласованная модель индуктивного ВЧ разряда с независимым емкостным каналом ввода мощности. На основании модели объяснены наблюдавшиеся экспериментальные особенности поведения разряда. Показано, что наличие емкостного канала приводит к увеличению доли мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал при условии, что плотность плазмы соответствует области возрастания эквивалентного сопротивления с увеличением концентрации электронов и уменьшению доли мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал при условии, что плотность плазмы соответствует области убывания эквивалентного сопротивления.

7. Сформулированы рекомендации по выбору оптимальной схемы рабочего процесса в источниках плазмы в зависимости от назначения и необходимых условий его работы.

8. Разработаны перспективные модели источников ионов для космических и наземных технологий.

Достоверность полученных результатов. Экспериментальные результаты получены на различных экспериментальных установках с привлечением там, где это возможно, нескольких независимых диагностических методик. Полученные результаты сопоставлены с результатами других групп исследователей. Выполнено численное моделирование параметров разряда, которые сопоставлены с экспериментом. Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты могут служить:

• для объяснения физических особенностей пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкого давления и построения полной физической модели такого разряда;

• дают возможность оценить влияние внешней цепи индктивного ВЧ разряда и его емкостной составляющей на параметры плазмы;

• являются научной базой при конструировании и выборе оптимальных режимов технологических источников плазмы низкого давления.

Результаты исследований могут быть использованы в следующих организациях: МАИ, МИРЭА, МВТУ им. Э.Баумана, ИВТ РАН, ИОФ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ЦНИИМаш'е и ряде других.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на научных семинарах кафедры физической электроники, Московского авиационного института, ИОФ РАН, университета г.Орлеан (Франция), университета г. Гиссен (Германия), Корейского института науки и технологии, фирмы PROEL (Италия), доложены и обсуждены на ряде международных и национальных конференций, в том числе: на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков". Алушта, 1988; на Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (XIX - Belgrade, 1989, XXI -Hoboken USA, 1995, XXIII - Toulouse France, 1997, XXV - Nagoya, Japan, 2001, XXVIII - Prague, Czech Republic, 2007), на Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов - ESCAMPIG (XI - St.-Peterburg 1992, XV - Hungary 2000 ), на Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (IV- Minsk, Belarus 2003, V - Minsk, Belarus 2006), на Международных конференциях по электрореактивным двигателям (XXIV - Moscow 1995, XXIX - Princeton 2005), на Ломоносовских чтениях по физике на физическом факультете МГУ (2003), на Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, Россия, 2001, 2003, 2008), X Конференции по физике газового разряда. (Рязань 2000), Российской конференции по физической электронике (Махачкала, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 статей в реферируемых журналах, 29 докладов в трудах международных конференций, 9 тезисов докладов на конференциях, получено 4 патента. Список основных публикаций приведен в конце диссертации.

Личный вклад автора. Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором по всем разделам работы определена постановка задач, обоснованы и разработаны методики исследований. При непосредственном участии автора были созданы экспериментальные установки, проведены экспериментальные исследования и обработка полученных результатов. Автором выполнена постановка задач для численных расчетов, выполнен большой объем вычислений и проведено сопоставление их результатов с экспериментом. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.

Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 301 странице машинописного текста. Работа состоит из введения, 7 глав и заключения, в котором сформулированы основные выводы. Список цитируемой литературы содержит 144 наименования. Диссертация содержит 198 рисунков.

В заключение сформулируем основные выводы, следующие из работы:

1. Выполнено комплексное, систематическое исследование поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда низкого давления при отсутствии внешнего магнитного поля. Показано, что эффективность поглощения ВЧ мощности (эквивалентное сопротивление плазмы) немонотонно зависит от плотности плазмы: в области низких концентраций электронов эквивалентное сопротивление плазмы растет с плотностью плазмы, в области высоких концентраций эквивалентное сопротивление падает. При низких давлениях область малых концентраций электронов соответствует случаю слабой пространственной дисперсии, здесь эквивалентное сопротивление плазмы растете с концентрацией электронов. Напротив, в области высоких концентраций электронов, когда преобладает бесстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скин-эффекта, зависимость эквивалентного сопротивления от концентрации электронов является убывающей. В целом же немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от плотности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, поглощение ВЧ мощности растет с ростом концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ мощности, убывает с ростом пе. При минимальном из рассмотренных давлений /?=0.1мТор подавляющим является черенковский механизм диссипации. Электрон-атомные столкновения практически не оказывают влияния на величины эквивалентного сопротивления, а электрон-ионные столкновения приводят лишь к незначительному повышению эквивалентного сопротивления при пе>ЗТОпст"3. Увеличение давления, т.е. частоты электрон-атомных столкновений приводит к росту эквивалентного сопротивления за счет повышения роли столкновительного механизма поглощения ВЧ мощности.

2. Выполнено комплексное, систематическое исследование эффективности и механизмов поглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченных индуктивных источников плазмы низкого давления при наличии внешнего магнитного поля. Показано, что в ограниченных источниках плазмы возможно возбуждение объемных, связанных друг с другом геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Область существования объемных волн сужается при уменьшении длины источника плазмы и с ростом давления рабочего газа. При условиях, соответствующих области возбуждения объемных волн, зависимость эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) от величины магнитного поля носит существенно немонотонный характер. Локальные максимумы эквивалентного сопротивления соответствуют областям резонансного возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Поглощение ВЧ мощности плазмой при давлениях менее ЮмТор определяется главным образом поглощением квазипродольной волны, доминирующим механизмом диссипации является бесстолкновительное черенковское поглощение. Увеличение частоты столкновений, вызванное увеличением давления газа или ростом электрон-ионных столкновений с ростом плотности плазмы приводит к сглаживанию зависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля и понижению абсолютных значений эквивалентного сопротивления. Кроме того, с ростом частоты столкновений амплитуда квазипродольной косой ленгмюровской волны понижается, и ее ВЧ поля перестают проникать в объем плазмы. С ростом частоты столкновений амплитуда и проникновение геликона в плазму не изменяются.

3. Показано, что при горении индуктивного ВЧ разряда в режиме, когда эквивалентное сопротивление плазмы меньше или порядка эффективного сопротивления антенны, происходит самосогласованное перераспределение мощности между плазмой и активным сопротивлением внешней цепи, которое проявляется: в существовании двух мод индуктивного ВЧ разряда с сильно различающейся плотностью плазмы; в появлении гистерезиса параметров плазмы при переходе разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью и обратно; в появлении гистерезиса параметров плазмы при увеличении и уменьшении внешнего магнитного поля; в насыщении зависимости концентрации плазмы от мощности ВЧ генератора в области высоких концентраций электронов; в ограничении при наличии внешнего магнитного поля области существования разряда со стороны больших магнитных полей; немонотонной зависимости плотности плазмы от внешнего магнитного поля. Выполнено комплексное исследование влияния емкостной составляющей разряда на ввод ВЧ мощности через индуктивный канал и параметры плазмы. Показано, что наличие емкостной составляющей разряда приводит к изменению доли мощности, поступающей в разряд через индуктивный канал. Увеличение за счет вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов выше величины, характерной для чисто индуктивного разряда, приводит к увеличению вклада ВЧ мощности через индуктивный канал при условии, что плотность плазмы ниже величины, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума. Это проявляется в смещении положения перехода разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавному переходу из «низкой» моды разряда в «высокую» и исчезновению гистерезиса. Увеличение за счет вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов выше величины, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума, приводит к уменьшению вклада ВЧ мощности через индуктивный канал. В связи с этим физически не оправдано сопоставление мод индуктивного ВЧ разряда с низкой и высокой концентрацией электронов с емкостной и индуктивной модами, т.к. наличие одного канала ввода мощности в плазму приводит к изменению доли мощности, поступающей в плазму через другой канал.

5. Разработана самосогласованная модель пространственно ограниченных индуктивных ВЧ источников плазмы низкого давления, учитывающая потери ВЧ мощности во внешней цепи разряда и наличие независимого емкостного канала ввода мощности. Модель позволяет рассчитать параметры плазмы и долю мощности, поглощенную плазмой на основании известных мощностей ВЧ генераторов, питающих индуктивный и емкостной канал, эффективного сопротивления антенны, площади обкладок конденсатора и величины квазистационарного приэлектродного скачка потенциала, геометрических размеров источника плазмы, давления и величины внешнего магнитного поля.

6. Разработаны рекомендации, позволяющие оптимизировать работу индуктивных источников плазмы низкого давления. Показано, что при давлениях выше ЮмТор наилучший способ организации разряда - это индуктивный разряд без магнитного поля, где превалирует столкновительный механизм поглощения ВЧ мощности. Понижение давления и роли столкновительных механизмов поглощения ВЧ мощности приводят к необходимости усиления бесстолкновительного поглощения ВЧ мощности, что в области низких концентраций электронов возможно при условии ЭЦР, а в области более высоких концентраций - при возбуждении объемных геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. В области низких давлений ВЧ мощность лучше вкладывается в источники большого радиуса. Повысить эффективность ввода ВЧ мощности в источники малого

285 радиуса возможно при увеличении длины источника или при увеличении рабочей частоты.

7. Разработаны прототипы источников ионов для космических и наземных технологий.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность А.А.Рухадзе за постоянное внимание к данной работе и большую помощь при ее выполнении; А.Ф.Александрову за многочисленные обсуждения результатов работы; В.А.Черникову, В.П.Савинову и М.В. Кузелеву за замечания, позволившие существенно улучшить работу; К.В.Вавилину и В.Б. Павлову за большую помощь в проведении расчетов и экспериментов, а также всему коллективу кафедры физической электроники за большую моральную поддержку.

1. Hopwood J., Plasma Sources Sei., Tech. 1, 109-116, (1992).

2. Lenz В., Schweitzer М. and Loeb H.W. . "Improved RF-Coupling Method for RJT-Engines", AIAA, 79-2057, (1979).

3. Lieberman M. A. and Godyak V., IEEE Transactions on plasma physics, 26, N3, 955-986,(1998).

4. Stevens J.E., Electron Cyclotron Resonance Plasma Sources, in High Density Plasma Sources, edited by Oleg A.Popov, pp. 312 379, (1996).

5. Uchiba T. Jpn. J. Appl. Phys 33, L43 L44, (1994).

6. Tsuboi H., Itoh M., Hayashi Т., Uchiba T. Japan J. Appl. Phys 33, 2476 -2481,(1995).

7. Yoshida Z. and Uchiba T. Japan J. Appl. Phys, 34,4213 4216, (1995).

8. Uchiba T. J. Vac. Sei. Technol A. 16, 1529, (1998).

9. Uchiba T. Japan patants 07-090632, 08-078188, 07-263190 (1994).

10. Арсенин A.B., Лейман В.Г., Тараканов В.П. Краткие сообщения по физике ФИАН, 4, стр. 19-29, 2003.

11. Roderick W. Boswell United States Patent 4,810,93 5, 1989.

12. Chen F.F., Helicon Plasma Sources, in High Density Plasma Sources, edited by Oleg A.Popov, pp. 1 -75, 1996.

13. Y.Ye and all United States Patent 6,178,920, 2001.

14. Stevens J.E., J. Vac.Sei. Technol. A 13(5), Sep/Oct, (1995).

15. Александров А.Ф., Воробьев Н.Ф., С.Г., Кралькина E.A., Обухов В.А., Рухадзе A.A., Журнал Технической Физики 64, №11, стр. 53 58, (1994).

16. Александров А.Ф. и др. Патент РФ 2095877.

17. Thomson J.J., Phil. Mag. 4 1128 60, (1927).

18. Gudmundsson J.T. and Liberman M.A. Plasma Sources Sei., Tech. 6, 540-550, (1997).

19. Гинзбург В.Л., Рухадзе A.A. Волны в магнитоактивной плазме. Наука, 1970.

20. Piejak R.B., Godyak V.A., and Alexandrovich B.M., Plasma Sources. Sei. Technol., 1, p.179, (1992).

21. Godyak V.A., Piejak R.B., and Alexandrovich B.M., Plasma Sources. Sei. Technol., 3, pp. 169-176. (1994).

22. Godyak V.A., Piejak R.B., and Alexandrovich B.M., J. of Appl. Phis., 85, 2, pp. 703-712,(1999).

23. А.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, K.B. Вавилин, И.К.Керимова, С.Г.Кондранин, Е.А.Кралькина, В.Б.Павлов, В.Ю.Плаксин, А.А.Рухадзе. Физика плазмы, 2004, том 30, №5, стр 434.

24. К.В. Вавилин, А.А.Рухадзе, М.Х.Ри, В.Ю.Плаксин. Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 5, стр44.

25. К.В. Вавилин, А.А.Рухадзе, М.Х.Ри, В.Ю.Плаксин. Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 6, стр 25.

26. К.В. Вавилин, А.А.Рухадзе, М.Х.Ри, В.Ю.Плаксин. Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 6, стр 29.

27. К.В. Вавилин, А.А.Рухадзе, М.Х.Ри, В.Ю.Плаксин. Физика плазмы, 2004, том 30, №8, стр 739.

28. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, A.A. Рухадзе. Прикладная физика, 2006, №2 стр. 41-46.

29. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, A.A. Рухадзе. Прикладная физика, 2006, № 4 стр. 54 59.

30. Boswell R.W., Phys. Lett., ЗЗА, р.457 (1970).

31. Chen F.F., Plasma Phys. Contr. Fusion, 33, 4, p.339, (1991).

32. Александров А.Ф., Воробьев Н.Ф., С.Г., Кралькина E.A., Обухов В.А., Рухадзе A.A., Журнал Технической Физики 64, № 11, стр. 53 58, (1994).

33. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, A.A. Рухадзе. Прикладная физика, 2006, № 5 стр. 33 38.

34. А.Ф. Александров, К.В. Вавилин, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, А.А. Рухадзе. Физика плазмы, 2007, том 33, №9, стр 802-815.

35. А.Ф. Александров, К.В. Вавилин, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, А.А. Рухадзе. Физика плазмы, 2007, том 37, №9, стр 816 827.

36. Shamrai K.R., Taranov V.B., Plasma Sources Sci. Techn., 1999, v.5, p. 474.

37. Turner M.M. and Lieberman M.A. Plasma Sources Sci. Techn., 1999, v.8, p. 313-324.

38. А.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, К.В.Вавилин, И.Ф.Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б.Павлов, В.Ю.Плаксин, А.А.Рухадзе, В.П.Савинов. Прикладная физика, 2006, № 1 стр. 36 42.

39. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе, В.П. Савинов. Прикладная физика, 2006, № 5 стр. 39 46.

40. A.F. Alexandrov, K.V. Vavilin, I.F. Kerimova, Е.А. Kralkina, V.B. Pavlov,

41. A.A. Rukhadze, V.P. Savinov. XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases July 15 -20 2007, Prague, Czech Republic 5P09-10.

42. А.Ф.Александров, К.В.Вавилин, И.Ф.Керимова, Е.А.Кралькина,

43. B.Б.Павлов, Н.Н.Плахотный, А.А.Рухадзе, В.П.Савинов. Звенигород 2007.

44. Godyak V.A. and В.М.Alexandravich, Plasma Sources Sci. Technol. 1, (1992), 179-186.

45. Gilles Cunge, Brendan Crowley, David Vender and Miles M Turner. Plasma Sources.Sci.Technol. 1999, 8,576-586.

46. Александров А.Ф., Бугров Г.Э., Вавилин K.B., Кралькина Е.А., Павлов В.Б., Плаксин В.Ю., Рухадзе А.А. Наукоемкие технологии, No 1, 2005, т.6, стр. 5.

47. A.F.Alexandrov, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, A.A.Rukhadze, A.I.Bugrova, G.E.Bugrov, K.V.Vavilin, IEPC2005-122, p. 1-18.

48. Плазменные ускорители и ионные инжекторы, под ред.Н.П.Козлова и А.И.Морозова, М.; Наука, 1984, 272с.

49. A.F. Alexandrov, G.E. Bougrov, S.K. Kondranin, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov, A.A. Rukhadze, K.V. Vavilin. Proceedings of XXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 2001 Nagoya, Japan vol. 1 pp.33-34.

50. Suzuki K., Nakamura K., Ohkubo H. and Sugai H., Plasma Sources Sei. Technol., 7, pp.13 20, (1998).

51. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Г.Э.Бугров, С.Г.Кондранин, Кралькина E.A. А.А.Рухадзе, В.Б.Павлов. Патент РФ 2121729.

52. А.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, Вавилин К.В., С.Г.Кондранин, Кралькина Е.А. А.А.Рухадзе, В.Б.Павлов. Патент РФ №2196395.

53. A.F.Alexandrov, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, A.A.Rukhadze, A.I.Bugrova, G.E.Bugrov, K.V.Vavilin. Proceedings of XXIXIEPC, Princeton 2005, p.1-17.

54. Thomson J.J. Phil. Mag., 32 321-36, (1891).

55. Thownsend J.S., Donaldson R.H. Philos. Mag. v.5 (1928), p. 178; v.7 (1929), p.600.

56. Mak-Kinton K.A. Philos. Mag. v.8 (1929), p.605.

57. Баббат Г.И. Вестник электропромышленности, вып.2, вып.З, 1 (1942).

58. Godyak V.A. Plasma Phenomena in Inductive Discharges, Invited talk, 30th Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St.Petersburg, July 7-11, 2003.

59. Eckert H.U. Proc. 2nd Ann. Int. Conf. On Plasma Chemistry and Technology, ed H Boenig (Technomic), 1986.

60. Henriksen B.B.,Keefer D.R. and Clarkson M.H. ,J.Appl. Phys. 42 5460 4, 1971.

61. Denneman J.W. ,J.Phys D: Appl. Phys 23 293 8, (1990).

62. Schottky W. Physykalische Zeitschrift, 25, p.342, 635 (1924).

63. Pippard A.B., Proc. R.Soc. A 191 385, (1947).

64. Reuter G.E.H., Sondheimer E.H. Proc. Roy. Sos., A195., (1948).

65. Силин В.П., Рухадзе A.A. Электромагнитные свойства плазмы и плазмоподобных сред. Госатомиздат 1961.

66. Демирханов P.A., Кадыш И.Я. и Ходырев Ю.С. ЖЭТФ 19 стр.791, (1964).

67. Weibel E.S. ,Phys. Fluids 10 741, (1967)

68. Kofoid M.J., Phys. Fluids 12 1290, 1969.

69. Кондратенко A.H., Проникновение поля в плазму. Москва, Атомиздат. 1979.

70. Kolobov V.l. and Economou D.J., Plasma Sources Sei. Technol. 6, R1-R171997).

71. Дикман C.M. and Мейерович Б.Е., ЖЭТФ, 37, стр. 837, (1973).

72. Александров А.Ф., Богданкевич JI.C., Рухадзе A.A. Основы электродинамики плазмы. -М.: Высшая школа, 1978.

73. Smolyakov A.I., Godyak V.A., Tyshetskiy Y.O., Physics of Plasmas 10, 5, pp.2108-2116, (2003).

74. Godyak V.A., Kolobov V.l., Physical Review Letters 81, 2 pp. 369 372,1998).

75. Tyshetskiy Yu.O., Smolyakov A.I., Godyak V.A., Physical Review Letters 90, 25, 255002-1 255002-4 , (2003).

76. Kolobov V.l. "Anomalous skin effect in bounded plasmas", in Electron Kinetics in Glow Discharges, U. Korthagen and L.D. Tsendin, Eds. New York: Plenum, (1998).

77. Blevin H.A., Reynolds J.A. and Thonemann P.C., "Penetration of an electromagnetic wave into a hot plasma slab", Phys.Fluids, 13, p. 1259, (1970).

78. Blevin H.A., Reynolds J.A. and Thonemann P.C., "Measurement of the attenuation of an electromagnetic wave in a bounded hot electron plasma", Phys.Fluids, 16 p.82, (1973).

79. Т.Б. Антонова, Г.Э. Бугров, E.A. Кралькина, B.A. Обухов. Рук. деп. в ВИНИТИ N 7415-В88.

80. Sobelman, L.A. Vainstein, E.A. Yukov, Excitation of Atoms and Broadening of Spectral Lines. Springer-Verlag, New York, 1981, 315p.

81. Biberman L.M., Vorobjev I.S. and Yakubov I.T., Kinetics of nonequilibrium low temperature plasma. Moscow, Nauka, 1982.

82. Gryzinski M., Classical theory of atomic collisions. I. Theory of inelastic collisions. Phys. Rev. 138, 3 (1965).

83. Торонов О.Г., Автореферат кандидатской диссертации, С-Перербург, ЛГУ, 1983.

84. Aymar М. and Coulombe М., Atomic Data and Nuclear Data Tables. 21(6), 1 (1978).

85. Земцов Ю.К., Скороход Е.П., Силы осцилляторов переходов между возбужденными уровнями атомов Хе. Рукопись депонирована в ВИНИТИ, No2403- 80, 1980.

86. Ф.Чен. в книге Диагностика плазмы под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. Мир, М., 1967.

87. L.Shott. Electrical probes. Plasma diagnostics. Edited by W.Lochte-Holtgreven, NewYork, 1995, p.668-731.

88. Тихонов A.H., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. Москва, Наука, 1974, 223с.

89. Волкова Л.М., Девятое A.M., Меченов А.С., Седов Н.Н., Шериф М.А. Вестник МГУ, сер. Физика, астр, 1975, N3, р.371-374.

90. S. Kondranin, Е.А. Kralkina, T.B.Antonova, G.E.Bougrov, N.F.Yorobjev, Won-Kook Choi, Hyung Jin Jung, Seoh-Keun Koh. J. of Korean Physical Society v.32, N2,(1998), pp.195-199.

91. Эффективные сечения возбуждения атомов и ионов электронным ударом. Изд.Стандартов, 1989г.

92. S. Kondranin, Е.А. Kralkina, L.M.Volkova, A.M.Devyatov, T.B.Antonova, G.E.Bougrov, N.F.Vorobjev, Won-Kook Choi, Hyung Jin Jung, Seoh-Keun Koh. J. of Korean Physical Society v.32, N2, 1998, pp.280-285.

93. Диагностика плазмы под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. Мир, М., 1967.

94. Ю.П.Райзер. Газовый разряд. М., Наука, 1987, 591стр.

95. Lieberman М.А. and Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and material processing. A Wiley- Interscience publication, JohnWiley&sons, Inc. New York, 1994.

96. Lieberman M. A. and Godyak V., IEEE Transactions on plasma physics, 26, N3, 955-986, (1998).

97. Godyak V.A. and Piejak R.B., J.Appl.Phys. 82(12), p.5944, (1997).

98. Tyshetskiy Yu.O., Smolyakov A.I., Godyak V.A., Plasma Sources Sci. Technol.,1., pp.203-207, (2002).

99. Smolyakov A.I., Godyak V.A., Tyshetskiy Yu.O., Physics of Plasmas, 8, 9, p.3857, (2001).

100. Godyak V.A. and Kolobov V.I., Phys. Rev. Lett., 81, 2, p. 369, (1998).

101. Godyak V.A., Plasma Phys.Control.Fusion, 45, A399-A424, (2003).

102. Stevens J.E., Cecchi J.L. Japan J. Appl. Phys., 32, pp.3007 3012 (1993). lOl.Shamrai K.P. and Taranov V.B. Plasma Phys. Control. Fusion, 36, 1719, (1994).

103. Lehane J.A. and Thonemann PC., "An experimentel study of helicon wave propagation in a gaseous plasma", Proc. Phys. Soc. 85, p301, (1965).

104. Bleven H.A., Christiansen P.J. and Devies B.J., Phys. Rev. Lett. A, 28, p.230 (1968).

105. Devies B J. and Christiansen P.J., Plasma Phys., 11, p.987, (1969).

106. Ferrari R.L. and J.P. Klozenberg, Plasma Phys., 2, p.283, (1968).

107. Klozenberg J.P., McNamara B., Thonemann P.C., J. Fluid Meek, 21, p.545, (1965).

108. Woods L.C., J. Fluid Meek, 13, p.570 (1962).

109. Woods L.C., J. Fluid Meek, 18, p.401 (1964).

110. Boswell R.W., Phys. Lett., 33A, p.457 (1970).

111. Boswell R.W., Plasma Phys. Contr. Fusion 26, 1147 (1984).

112. I. Boswell R.W. and Henry D., Appl. Phys. Lett., 47, 1095 (1985).

113. Boswell R.W. and Porteus R.K., Appl. Phys. Lett., 50, 1130 (1987).

114. Boswell R.W. and Porteus R.K., J. Appl. Phys., 62, 3123 (1987).

115. Boswell R.W., Plasma Phys., 31, p.197, (1984).

116. Zhu P. and Boswell R.W., Phys.Fluids, 3 p.869, (1991).

117. Chen F.F. and Decker C.D., Plasma Phys. Contr. Fusion 34, p.635 (1992).

118. Loewenhardt P.K., Blackwell B.D. and Hamberger S.M., Plasma Phys. Contr. Fusion 37, p.229, (1995).

119. Shoji Т., Mieno Т. and К. Kadota К., Proc. Int. Sem. Reactive Plasmas, Nagoya, Japan, p.337, (1991).

120. Chen R.T.S., Breun R.A., Gross S., Hershkowitz N., Hsien M.J. and Jacobs J., Plasma Sources Sci. Technol., 4, p.337 (1996).

121. Ellingboe A.R., Boswel R.W., Booth J.P. and Sadeghi N., Phys. Plasmas, 2, p. 1807,(1995).

122. Ellingboe A.R., Boswel R.W., Booth J.P. and Sadeghi N., Gaseous Electronics Conf., Monreal, Canada, Abstract CA-5, (1993).

123. Molvic A.W., Ellingboe A.R. and Rognlien T.D., Phys. Rev. Lett. A, 79, p.233 (1997).

124. Blackwell D.D. and Chen F.F., Bull. Amer. Phys. Soc., 40, pi771, (1995).

125. Chen F.F., Plasma Phys. Contr. Fusion 39, p. 1533, (1997).

126. Sudit I.D. and Chen F.F., Plasma Sources Sci. Technol., 4, p.43 (1996).

127. Александров А.Ф., Воробьев Н.Ф., Бугров Г.Э., Кондранин С.Г., Кралькина Е.А., Обухов В.А., Рухадзе А.А., Прикладная физика, № 1, стр.3-22, (1995).

128. Shamrai К.Р., Alexandrov A.F., Bougrov G.E., Virko V.F., Katiukha V.P., Koh S.K., Kralkina E.A., Kirichenko G.S., Rukhadze A.A., Proceedings of XXIII Internation Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 1997, Toulouse -France.

129. Shamrai K.P. and Taranov V.B., Plasma Sources Sci. Technol. 5, pp. 474 491, (1996).

130. Shamrai K.P. and Taranov V.B., Phys. Lett. A, 204, p. 139, (1995).

131. Shamrai K.P., Pavlenko V.P., and Taranov V.B., Plasma Phys. Control. Fusion, 39, 505, (1997).

132. Shamrai K.P. and Pavlenko V.P., Physica Scripta, 55, p.612, (1997).

133. Chen F.F. and Arnush D., Phys. Plasmas 4 (9), September, (1997).

134. Chen F.F. and Arnush D., Physics of Plasmas, 5, 5, 1239 1254, (1998).

135. Chen F.F., Jiang J., Evans J.D., Tynan G. and Arnush D. Plasma Phys. Control. Fusion, 39, A411,(1997).294

136. Shamrai K.P., Virko V.F., Blom H.-O., Pavlenko V.P., Taranov V.B., Jonsson L.B., Hedlund C. and Berg S. J. Vac. Sci. Technol., 1977, A 15(6), pp 2864-2874.

137. Godyak V.A., Piejak R.B., and Alexandrovich. Plasma Sources Sci. Technol. 11, pp. 525 543, (2002).

138. Hittorf W. Ann. Phys. Chem., 21 90-139, (1884).

139. Godyak V.A., Piejak R.B., and Alexandrovich B.M., J. of Appl. Phys., 85, 2, pp. 703-712,(1999).

140. Valéry Godyak, Plasma Phys. Control. Fusion, 45 (2003), A399-A424.

141. Райзер Ю.П. , Шнейдер M.H., Яценко H.А. Высокочастотный емкостной разряд. Москва, Наука, Физматлит, 1995.

142. M.M.Turner et al. Plasma Sources.Sci.Technol. 1998, 7, 13-20.

143. Suzuki K., Nakamura K., Ohkubo H. and Sugai H., Plasma Sources Sci. Technol., 7, pp. 13-20, (1998).

144. Miljak David G. and Chen Francies F., Plasma Sources Sci. Technol. 1, pp.61 74, (1998).

145. Ho-Jun Lee, Il-Dong Yang and Ki-Woong Whang, Plasma Sources Sci. Technol. 5, pp.383-388, (1996).

146. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

147. Т.Б. Антонова, Г.Э. Бугров, Е.А. Кралъкина, В.А. Обухов. Исследование механизма ионизации и возбуждения Хе1 в газоразрядной плазме низкого давления. Рук. деп. в ВИНИТИ N 7415-В88.

148. Т.Б. Антонова, Г.Э. Бугров, Е.А. Кралъкина, В.А. Обухов. Влияние быстрых электронов на свойства разряда в источниках ионов инертных газов низкого давления. Рук. деп. в ВИНИТИ N 7414-В88.

149. Л.А. Гончаров, Е.А. Кралъкина, В.А. Обухов. Исследование параметров плазмы в ксеноновом разряде с расходящимся магнитным полем. В тр. 1 Вс. н.-т.конф. "Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков". Алушта,1988, с. 191

150. Г.Э. Бугров, Л.А. Гончаров, Е.А. Кралъкина, В.А. Обухов. Study of non-monotonous EEDF in Xe low pressure discharge. Proc.of XIX ICPIG, Belgrade,1989, Cont. Pap., p.212

151. Г.Э. Бугров, Е.А. Кралъкина, В.А. Обухов, Е.С. Ситин. Экспериментальное исследование и численное моделирование процесссв в плазменном эмиттере ионов ксенона с периферийным магнитным полем. Радиотехника и электроника, XXXIV,9.1989, стр 1952.

152. T.B.Antonova, G.T.Bugrov, Е.А. Kralkina, V.A.Obukhov, J.Krempel-Heesse, J.Krumeich. Experimental Study of FEDF in inductively conpled Xe RF-discharge. Proc.of XI ESCAMPIG St.-Peterburg 1992 Contrib. Paperes, p. 113 114.

153. А.Ф.Александров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралъкина, В.А.Обухов, А.А.Рухадзе. Теория квазистатических плазменных источников. ЖТФ, 64, N11, стр.53 58

154. А.Ф.Александров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралъкина, Г.Э.Бугров, С.Г.Кондранин, В.А.Обухов, А.А.Рухадзе. Высокочастотные источники плазмы низкой мощности. Прикладная физика, 1995, Nol, стр. 3 22.

155. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Г.Э.Бугров, Н.Ф. Воробьев, Е.А. Кралъкина, С.Г.Кондранин, В.А.Обухов, А.А.Рухадзе. The low power HF ion source. Procceed.of XXI ICPIG, 1995, Hoboken USA v.4.

156. A.F. Alexandrov, T.B. Antonova, G.E. Bugrov, N.Vorobliev, A.F. Kalinin,

157. A.F. Alexandrov, T.B. Antonova, G.E. Bugrov, N.Vorobliev, G.Noci, N.Kutufa, S.Kondranin, E.A. Kralkina, V.Obukhov, A. Rukhadze. The low power HF ion thruster. 24-th International electric propulsion conference. Moscow, Russia, 1995, p. 1-15.

158. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Н.Ф.Воробьев, Г.Э.Бугров, С.Г.Кондранин, Е.А.Кралъкина, В.А.Обухов, Г.А.Попов, А.А.Рухадзе. Способ получения ионов и источник ионов для его осуществления. Патент РФ 2095877.

159. S.K . Koh, H.G. Jang, W.K Choi, H.-J.Jung, .G. Kondranine, E.A. Kralkina. Design and test of the new partially ionized beam source. Review of Scientific Instruments. Vol.67, No. 12, December 1996, pp4114-4116.

160. Г.Э.Бугров, К.В. Вавилин, С.Г.Кондранин, E.A. Кралькина, В.Б.Павлов. Экспериментальное исследование параметров плазмы в источнике ионов с холодным катодом. X Конференция по физике газового разряда. Рязань, 2000 стр. 121.

161. Г.Э.Бугров, К.В. Вавшин, Е.А. Кралькина. Разработка плазменного реактора малой мощности. X Конференция по физике газового разряда. Рязань, 2000 стр. 123

162. G.E. Bugrov, S.K. Kondranin, Е.А. Kralkina, V.B . Pavlov, К. V. Vavilin. Study of plasma parameters in the "cold cathode" ion source. Proc.of XI ESCAMPIG, August 2000 Hungary.

163. A.F.Alexandrov, G.E.Bougrov, E.A.Kralkina, A.A.Rukhadze, K.V. Vavilin. Development of RF low power plasma reactor prototypes. Proc.of XV ESCAMPIG, August 2000 Hungary.

164. А.Ф.Александров, Т.Б.Антонова, Г.Э.Бугров, С.Г.Кондранин, Е.А.Кралькина, А.А.Рухадзе. Газоразрядное устройство. Патент РФ 2121729.

165. G.E.Bugrov, S.K.Kondranin, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, and K.V.Vavilin. Development of "cold cathode" ion source family. Proceedings of XXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 2001 Nagoya, Japan vol. 4, pp.97 98.

166. G.E.Bugrov, S.KKondranin, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, К. V. Vavilin, Heon-Ju Lee. Development and test of ion source with small orifice cold cathode. J. of Korean Vacuum Science & Technolojy, 5, pp.19 24 (2001).

167. A.F.Alexandrov, G.E.Bougrov ,I.K Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, V.J. Plaksin, A.A. Rukhadze, K.V. Vavilin. An Absorption of RF Power by Inductive Discharge Plasma Placed in External Magnetic Field Experimental

168. Study. Proceedings of the 30-th International (Zvenigorod)Conference of Plasma Physics and Controlled Fusion. Zvenigorod, Russia, February 24-28, 2003. Contributed papers, T4.

169. G.E. Bugrov, S.G. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, D.V Savinov, К. V Vavilin, Heon-Ju Lee. Optimisation of cold cathode ion source model. Current Applied Physics, 3(2003), 485-489.

170. Г. Э. Бугров, С.Г. Кондранин,Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов. Плазменный источник ионов с ленточным пучком (варианты). Патент РФ 2151438.

171. К.В.Ваваилин, Е.А. Кралькина, А.А.Рухадзе. К обоснованию несамосогласованной теории радиочастотного источника плазмы. Краткие сообщения по физике, N8, с. 44, (2004).

172. Александров А. Ф., Бугров Г.Э., Вавшин КВ., Кралькина Е.А., Павлов В.Б., Плаксин В.Ю., Рухадзе A.A. Физические принципы разработки ВЧ-индуктивных источников плазмы низкого давления. Наукоемкие технологии, No 1, 2005, т.6, стр. 5.

173. A.F.Alexandrov, E.A.Kralkina, V.B.Pavlov, A.A.Rukhadze, A.I.Bugrova, G.E.Bugrov, K.V.Vavilin. On the possibilities of RF ion thrusters optimization. Proceedings of XXIXIEPC, Princeton 2005, p. 1-17.

174. А.Ф. Александров, КВ. Вавилин, E.A. Кралъкина, В.Б. Павлов, А.А. Рухадзе. Особенности индуктивного ВЧ разряда низкого давления. I (эксперимент). Физика плазмы, 2007, том 33, №9, стр 802 815.

175. А.Ф. Александров, КВ. Вавилин, Е.А. Кралъкина, В.Б. Павлов, А.А. Рухадзе. Особенности индуктивного ВЧ разряда низкого давления. II (математическое моделирование). Физика плазмы, 2007, том 37, №9, стр 816 — 827.

176. A.F. Alexandrov, K.V. Vavilin, I.F. Kerimova, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov,

177. А.Ф.Александров, К.В.Вавилин, И.Ф.Керимова, Е.А.Кралъкина,

178. А.Ф.Александров, К.В.Вавилин, ,Е.А.Кралъкина, И.С.Максимов, В.Б.Павлов, А.А.Рухадзе, В.П.Савинов. Изучение гибридного ВЧ разряда. Тезисы докладов XXXY Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, с.ЗЗЗ, 2008.

179. Е.А.Кралъкина. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе. УФН, том 178, №5, с.519 540, (2008).