Поглощение ВЧ мощности плазмой индуктивного разряда, помещенного в магнитное поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

Павлов Владимир Борисович

ПОГЛОЩЕНИЕ ВЧ МОЩНОСТИ ПЛАЗМОЙ ИНДУКТИВНОГО РАЗРЯДА, ПОМЕЩЕННОГО В МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2005

Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета Московского государственного университета им. М.В Ломоносова.

Научные руководители' доктор физико-математических наук,

профессор Александров А Ф. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Кралькина Е.А

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Бугрова А.И. доктор физико-математических наук, профессор Шустин Е.Г.

Ведущая организация Федеральное государственное научное

учреждение «Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики»

Защита состоится 22 декабря 2005г. в 16® часов на заседании Диссертационного совета Д. 501.001.66 физического факультета Московского государственного университета им. МВ Ломоносова по адресу 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 5-19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им М В. Ломоносова

Автореферат разослан 22 ноября 2005г

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 501.001.66 кандидат физико-математических наук

Ершов А П

гооЬ-<\_ 2251934

гп <313 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

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

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

В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников плазмы -традиционные источники плазмы без магнитного поля, где разряд возбуждается спиральной антенной, а таюме источники плазмы, помещенные в магнитное поле Это источники, основанные на электронном циклотронном резонансе и возбуждении геликонов и волн Трайвелписа-Голда В двух последних случаях эффекты, связанные с влиянием внешней цепи, практически не исследованы.!

РО

БИБЛИОТЕКА

вопросы о механизмах поглощения ВЧ мощности плазмой В связи с этим тема

диссертационной работы представляется актуальной

Цель работы.

В диссертации ставятся следующие задачи-

1 Экспериментально исследовать связь параметров плазмы с величиной ВЧ мощности, поглощенной плазмой при работе на промышленной частоте а>о=2Т11п, 3,56МГц.

2 Экспериментально исследовать эффективность поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного разряда при отсутствии магнитного поля, а также при магнитных полях, соответствующих условиям электронного циклотронного резонанса (сф=Д ) и условиям возбуяодения геликонов и волн Трайвелписа-Голда

3 На основании сравнения экспериментальных данных с теоретическими проанализировать механизмы поглощения ВЧ мощности плазмой при различных значениях магнитного поля.

4 Экспериментально исследовать перераспределение плотности и температуры электронов при изменении величины и топологии магнитного поля

5 Выработать рекомендации, необходимые для разработки источников ионов и плазменных реакторов на основе ВЧ разряда с частотой шц.

Научная новизна работы.

1 Впервые выполнен сравнительный анализ эффективности поглощения 84 мощности частоты шо плазмой при различных величинах и конфигурациях магнитного поля, давлении и роде рабочего газа, геометрических размерах источников плазмы

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

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

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

Практическая ценность работы.

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

Апробация диссертации.

Основные результаты работы обсунодались на семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ и докладывались на следующих конференциях'

1 XXIII Intemation Conference on Phenomena in lonized Gases, July 1997, Toulouse -France.

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

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

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

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

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

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях и 7 тезисах, список которых приведен в конце автореферата. По материалам работы получен 1 патент

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения Первая глава носит вводный характер (содержит литературный обзор, посвященный данной тематике), остальные четыре главы оригинальны В целом диссертация содержит 126 страниц, включая 96 рисунков и библиографию из 97 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава состоит из четырех частей и носит вводный характер В ней содержится литературный обзор, посвященный исследованию физических свойств индуктивного высокочастотного разряда.

В первой части главы выполнен обзор основных типов источников плазмы, известных в настоящее время.

Во второй части рассмотрены работы, посвященные исследованию источников плазмы без магнитного поля Количество публикаций, посвященных изучению индуктивного ВЧ разряда без магнитного поля, огромно В литературе накоплена обширная база экспериментальных данных, которые широко используются для проверки существующих и построения новых теоретических моделей В связи с этим закономерен возникший в последние годы интерес к анализу достоверности накопленных экспериментальных данных, выявлению возможных источников погрешности измерений Так, в последнее десятилетие появились публикации [1-3], указывающие на то, что большинство экспериментальных работ содержит систематическую ошибку, связанную с неучетом потерь ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы Хорошо известно, что в случае индуктивного ВЧ разряда мощность генератора делится между двумя активными нагрузками' антенной и плазмой Однако, подавляющее большинство авторов ранее полагало, что потери ВЧ мощности в антенне малы На самом деле, как показано в [1-3], существуют условия, при которых потери в антенне могут превышать мощность, вкладываемую в плазму Последнее требует пересмотра всей базы накопленных экспериментальных данных и нахождения закономерностей перераспределения ВЧ мощности между антенной и плазмой в широком диапазоне существования индуктивного разряда

В третьей части главы рассмотрены работы, посвященные исследованию источников плазмы при магнитных полях, соответствующих электронному циклотронному резонансу Одним из наиболее интересных результатов, известных из литературы [4, 5], является вывод о смещении с ростом плотности плазмы максимума поглощения ВЧ мощности в область магнитных полей, для которых циклотронная частота превышает рабочую частоту. Однако, в литературе недостаточно работ, направленных на экспериментальную проверку этого положения Кроме того, отсутствуют данные, позволяющие судить об эффективности ввода ВЧ мощности в плазму индуктивного разряда при условии ЭЦР, и закономерностях перераспределения ВЧ мощности между антенной и плазмой при условиях электронного циклотронного резонанса

В четвертой части главы рассмотрены работы, посвященные исследованию источников плазмы при магнитных полях, способствующих возбу>кдению геликонов (спиральных волн) и волн Трайвелписа-Голда (косых ленгмюровских волн) В течение последнего десятилетия в литературе активно обсуждается вопрос о механизме поглощения мощности в указанном диапазоне матитных полей В работе [6] Ф Ченом

была предложена модель поглощения ВЧ мощности, основанная на возбуждении геликонных волн в плазме и их поглощении за счет бесстолкновительного черенковского механизма (затухания Ландау) В работах [7, 8] было показано, что наряду с геликонами в плазме могут возбуждаться медленные потенциальные волны Трайвелписа-Голда, которые хорошо поглощаются плазмой Работы [6-8] стимулировали появление большого количества теоретических работ, посвященных исследованию особенностей возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда, а также механизму их поглощения Однако количество экспериментальных работ, посвященных той же проблеме, явно недостаточно Кроме того, так же как и в предыдущих случаях, в литературе отсутствуют данные, позволяющие судить об эффективности ввода ВЧ мощности в плазму индуктивного разряда в данном диапазоне магнитных полей

В работе [9] была введена величина, названная эквивалентным сопротивлением плазмы. 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 ВЧ мощности [5, 9], т.е определяется основными фундаментальными свойствами плазмы индуктивного разряда. В теоретических работах [5,9] построены модели индуктивного ВЧ разряда, позволяющие рассчитать эквивалентное сопротивление ограниченных индуктивных источников плазмы Показано, что эквивалентное сопротивление является величиной, чувствительной к изменению размера плазменной области и параметров плазмы, определяющих физические свойства разряда Таким образом, исследуя поведение эквивалентного сопротивления, можно провести анализ эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой, исследовать механизм поглощения мощности и выяснить закономерности перераспределения ВЧ мощности между антенной и плазмой индуктивного разряда как при отсутствии, так и при наличии магнитного поля.

В настоящее время в литературе представлено очень малое количество экспериментальных данных о величине эквивалентного сопротивления плазмы ВЧ разрядов Большинство из них получено в работах [1-3], где исследовался индуктивный ВЧ разряд без магнитного поля.

В конце первой главы сформулирована цель диссертации Вторая глава содержит описание условий экспериментов и методики измерений В работе проводились исследования источников плазмы на основе ВЧ разрядов с промышленной частотой (я=13,56МГц, которые представляли собой стеклянные или металлические цилиндрические газорязрдные камеры, закрытые с торцов диэлектрическими фланцами Длина камер составляла от 5см до 20см, а радиус от 5см до

25см На внешней диэлектрической части поверхности источников располагались водоохлаждаемые антенны С помощью системы электромагнитов в источниках плазмы создавалось магнитное поле от 0 до 20мТл Давление менялось в диапазоне от 0,5мТор до ЮОмТор.

Также исследовались источники ионов. Конструкция источников ионов отличала-^ от конструкции источников плазмы тем, что вместо одного из диэлектрических фланцев использовалась ионно-оптическая система, позволявшая извлекать ионы из плазмы и ускорять их

Для возбуждения и поддержания разряда в источниках плазмы применялись торцевые (рис 1а) и боковые (рис.1б) спиральные антенны, зигзагообразные антенны (рис.1в), антенны типа Ыадоуа Ш (рис.1г), а также их комбинации.

В качестве источника питания использовались ВЧ генераторы со стандартной промышленной частотой /^13,56МГц.

а) б) в) г)

Рис 1 Типы антенн

В главе описаны применявшиеся в работе методики измерений внешних и внутренних параметров разряда, метод зондов Ленгмгара, методика измерения пространственного распределения концентрации плазмы и эффективной температуры электронов по отношению интенсивности спектральных линий, методика измерения ВЧ токов «поясом Роговского», и методика определения •эквивалентного сопротивления плазмы.

Как уже отмечалось, мощность ВЧ генератора, отдаваемая во внешнюю цепь, перераспределяется между двумя активными нагрузками плазмой и антенной В реальных экспериментах сопротивление антенны включает в себя потери на нагрев самой антенны, элементов системы согласования, металлических частей установки, ВЧ разъемов и т д. В связи с этим измерения и обработка результатов экспериментов проводились следующим образом сначала

определялось сопротивление антенны в отсутствие разряда (холодное измерение). Затем, в экспериментах с разрядом, зная сопротивление антенны #,„„, мощность ВЧ генератора РГт, и ток /, текущий через антенну, вычислялась доля ВЧ мощности, поглощаемая плазмой .

Измерения показали, что не зависит от РГп при всех использованных значениях Р,„, что позволило при расчетах К„, по приведенной схеме считать Кт = сопи.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований индуктивного разряда при наличии и отсутствии однородного магнитного поля.

Первая часть главы посвящена выявлению особенностей поведения индуктивного ВЧ разряда при изменении величины внешнего магнитного поля. Для этого измерялась зависимость интенсивности интегрального свечения плазмы от величины магнитного поля В при фиксированной мощности ВЧ генератора

На рис.2 показаны результаты, полученные при работе с источниками плазмы диаметром 20см. Видно, что с увеличением внешнего магнитного поля интенсивность свечения плазмы сначала растет, затем, пройдя через максимум, интенсивность свечения начинает падать и далее следует резкий срыв разряда. Увеличение давления и мощности ВЧ генератора приводит к смещению положения срыва разряда в область больших магнитных полей, а также к появлению второго, а иногда и третьего максимума свечения в области менышх магнитных полей.

Рис.2. Изменение интенсивности свечения плазмы в центральном сечении при изменении внешнего магнитного поля В в источнике плазмы диаметром 20см. Разряд возбуждался торцевой спиральной антенной (см рис 1а) а) - давление аргона 0,5мТор, мощность ВЧ генератора: 1- 300Вт, 2 - 500Вт; б) - мощность ВЧ генератора 300Вт, давление аргона: 3 - 0,5мТор, 4-1 мТор.

Изменение интенсивности свечения плазмы может быть вызвано двумя причинами' изменением концентрации и изменением температуры электронов В связи с этим следующий этап работы состоял в измерении и детальном исследовании параметров плазмы с помощью зондов Ленгмюра и спектральных методов

На рисЗ показано изменение концентрации и температуры электронов в центре источника плазмы при изменении величины магнитного поля. Увеличение магнитного поля В приводит сначала к резкому росту плотности плазмы. Затем, при достижении некоторого критического магнитного поля В^, концентрация электронов резко уменьшается Несмотря на значительные изменения концентрации электронов, их эффективная температура остается практически неизменной при всех рассмотренных значениях В.

Рис 3 Зависимость концентрации и эффективной температуры электронов в центре источника плазмы (Р.=7 5см, 1=15см) от величины внешнего магнитного поля 5.1, 2 -температура и концентрация электронов соответственно при Рг»,-150Вт, 3,4 -температура и концентрация электронов при Ртаи=200Вт Давление 2мТор Звездочками помечены точки срыва разряда

Для того, чтобы разобраться в причинах немонотонного изменения концентрации плазмы с магнитным полем, были определены величины ВЧ мощности, поглощенные плазмой при различных величинах магнитных полей на основе измерений тока, текущего через антенну.

Эксперименты показали, что усредненная по радиусу концентрация электронов в плазме индуктивного ВЧ разряда (при рассмотренных магнитных полях менее 2мТл) пропорциональна вложенной в плазму мощности, а особенности изменения плотности плазмы с изменением магнитного поля связаны с перераспределением мощности ВЧ

В (мТл)

генератора между антенной и плазмой. Наблюдавшиеся в экспериментах срывы разряда происходили тогда, когда подавляющая часть мощности начинала вьделяться в антенне.

Как показано в обзоре литературы, эквивалентное сопротивление плазмы Rni является величиной, чувствительной к изменению размера плазменной области и параметров плазмы В связи с этим в работе выполнено детальное изучение поведения эквивалентного сопротивления при изменении величины внешнего магнитного поля, вкладываемой ВЧ мощности, типа антенны, давления и рода газа, а также геометрических размеров источников плазмы Это позволило уточнить физику процессов, происходящих в разряде

Во второй часто главы рассмотрено поведение эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного ВЧ разряда при отсутствии магнитного поля На рис.4 показано изменение эквивалентного сопротивления Rn, от величины вложенной в плазму мощности Рлп при различных геометрических размерах источников плазмы и типах антенн. На этом же рисунке приведены данные, полученные в работе [3] на источнике радиусом 10см при давлении 1мТор. Как видно, они хорошо согласуются с результатами, полученными в настоящей работе.

а н

ос

0,1

. . . х-х- Х- -V*" '

Аг, 2мТор I

4« 80 130 160 200 240 280 320 380

Рпл (ВТ)

Рис.4 Зависимость Яп„от Рт, Аргон, давление 2мТор. Экспериментальные точки соответствуют следующим значениям внешних параметров: при Р?=7.5см с торцевой антенной: а - 1.=10см, о - 1_=15см, ▲ - 1=20см, с боковой антенной ▼ -1=10см, ш - 1_=20см, при Я=11см с торцевой антенной * - !_=20см, с боковой антенной * - 1=20см, 1 - данные работы [3] (К=10см, Р=1мТор)

Как видно, эквивалентное сопротивление сначала растет с увеличением вложенной мощности, а затем происходит насыщение. Сравнение с теоретическими расчетами и численные оценки позволяют предложить следующее объяснение

полученной зависимости Л,,,от РП1- с ростом вложенной мощности увеличивается концентрация электронов, однако, поскольку в индуктивном разряде поглощение ВЧ мощности происходит преимущественно электронами, находящимися в скин-слое, то чем выше концентрация электронов, тем лучше поглощается ВЧ мощность. Но с ростом концентрации электронов уменьшается толщина скин-слоя, что приводит к понижению эффективности ввода мощности в плазму. Конкуренция этих двух факторов и объясняет наблюдаемую зависимость.

Интересным результатом работы явилось обнаружение возрастания эквивалентного сопротивления плазмы с ростом давления газа, что связано с ростом частоты столкновений электронов (см рис.5) Минимальное значение давления в настоящих экспериментах составляло величину 2мТор Оценки показали, что даже при этом давлении сталкновительный механизм вносит существенный вклад в поглощение ВЧ мощности плазмой. Еще одним подтверждением вклада столкновительного механизма в поглощение ВЧ мощности плазмой явилась обнаруженная зависимость Ягт сгт рода газа, которая показала, что с ростом сечения столкновений растет эквивалентное сопротивление плазмы.

Рис 5 Теоретическая зависимость эквивалентного сопротивления плазмы йт от концентрации электронов пв [5] для плоских дискообразных источников радиусом 7.5см. Непрерывной линией 1 отмечено Ящ, рассчитанное без учета столкновений. 2-е учетом столкновений для давления 2мТор, 3 - ЮмТор, 4 - ЗОмТор. Звездочки - результаты экспериментов, при давлении 2мТор. Заштрихованная область - диапазон концентраций, получаемых в экспериментах.

В третьей части главы рассмотрено влияние внешнего магнитного поля. Установлено, что при наложении внешнего магнитного поля появляются характерные области прозрачности плазмы, когда ВЧ поля проникают в плазму и ВЧ мощность хорошо

ё

5 1-

2-

0

10т 10' 10' 10" 10" 10" 10" 10м 10" П. (СМ4)

поглощается плазмой Это магнитные поля, соответствующие условию электронного циклотронного резонанса Wtf=ù<, и магнитные поля, при которых выполняется неравенство ®ц«(о0«Qe«(ùLe и возможно резонансное возбуждение геликонов и волн ТрайвелписаТолда, Здесь ши, cote, - ионная и электронная ленгмюровские частоты, С1ц -электронная циклотронная частота.

Эксперименты показали, что при давлениях менее ЮмТор в области ЭЦР (04-1мТл) эквивалентное сопротивление увеличивается по сравнению с разрядом без магнитного поля (рис.6).

4

г о

?б 2

2 3 В (мТл)

L=10CM Р=5мТор

j L=15cm

Рис.6. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы аргона от внешнего магнитного поля В при условии возбуждения разряда с помощью торцевой спиральной антенны в источнике плазмы диаметром 15см, □ - Рпл=150Вт, Д - Рп„=225Вт, ° - Рпл=250Вт.

В области возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда (В>1мТл) эквивалентное сопротивление так же сначала растет с магнитным полем, а затем происходит его быстрый спад. При увеличении вложенной мощности происходит смещение положения резкого спада эквивалентного сопротивления в область больших магнитных полей Резкий спад эквивалентного сопротивления плазмы является причиной срыва разряда, описанного в первой части главы Отметим, что ранее в литературе была принята точка зрения, что причиной срыва разряда является его рассогласование с ВЧ генератором вследствие изменения реактивной составляющей импеданса плазмы

Рис.6 показывает, что при увеличении длины источника £ в зависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля В наблюдается несколько максимумов. При давлениях ЮмТор и выше эти максимумы пропадают, а

абсолютные значения /?я, падают. Ранее, в первой части главы, было описано существование нескольких максимумов в зависимости интенсивное™ свечения плазмы от магнитного поля Они являются проявлением немонотонной зависимости эквивалентного сопротивления ЯЛл от В

Теоретические расчеты показывают [9], что при давлениях Р<10мТор и концентрациях электронов, типичных для источников ионов (<1012см'3)1 что соответствует условиям эксперимента, волна Трайвелписа-Голда ответственна за поглощение мощности плазмой, причем зависимость эквивалентного сопротивления от величины магнитого поля имеет осциллирующий характер с небольшим периодом по магнитному полю Сравнение результатов теории с экспериментом позволяет сделать вывод, что наблюдавшиеся в эксперименте максимумы являются проявлением этой

осциллирующей зависимости.

Расчеты показывают, что при низких давлениях волна Трайвелписа-Голда проникает в объем плазмы, и ее вклад в поглощение мощности плазмой является определяющим При увеличении давления до ЮмТор волна превращается в поверхностную При этом ее вклад в поглощение мощности уменьшается, осцилляции пропадают, а абсолютные значения эквивалентного сопротивления уменьшаются Причем основной вклад в поглощение мощности вносят столкновения.

Полученные экспериментальные результаты качественно совпадают с теоретическими Это является еще одним подтверждением того, что при низких давлениях в плазме наряду с геликонами возбуждаются волны Трайвелписа-Голда, основным механизмом поглощения энергии которых является черенковский бесстолкновительный При давлениях ЮмТор и выше работает столкновительный механизм поглощения энергии.

В четвертой части главы рассмотрено пространственное перераспределение параметров плазмы при изменении внешнего магнитного поля При полях, больших 1мТл лорморовский радиус электронов в основном объеме плазмы не превосходит 1см, те Ря «. поэтому можно считать, что ввод мощности в плазму в радиальном направлении осуществляется локально При этом данные о перераспределении плотности плазмы в радиальном направлении позволяют получить информацию об областях наиболее интенсивного ввода ВЧ мощности в плазму Для этой цели проводились измерения пространственного распределения интенсивности свечения плазмы.

На рис 7 показаны радиальные распределения интенсивности свечения плазмы ксенона, возбуждаемой торцевой спиральной антенной. Как видно, увеличение магнитного поля приводит не только к изменению абсолютных значений интенсивности свечения, но и к перераспределению свечения по радиусу источника. Увеличение магнитного поля сначала приводит к увеличению интенсивности свечения плазмы и появлению относительно равномерного распределения плазмы в центральных областях разряда, затем общая интенсивность свечения падает и максимум свечения смещается по радиусу от центра к периферии

Радиус, см Радиус, см

Рис 7 Радиальное распределение интенсивности свечения ксеноновой плазмы з источнике плазмы радиусом 7 5см и длиной 15см, возбуждаемой торцевой спиральной антенной. Давление 4мТор, Р=100Вт. 1 - В=0мТл, 2 - В=1,2мТл, 3 - В=24мТл 4 -В=4,8мТл

Ранее было установлено, что максимум интенсивности свечения всего объема плазмы соответствует максимуму эквивалентного сопротивления Таким образом в области максимума эквивалентного сопротивления ВЧ поля, нагоевающие плазму, проникают в центральные части разряда. При магнитных полях, лежащих за максимумом эквивалентного сопротивления проникновение ВЧ полей в центральные части плазмы ухудшается, и вложение ВЧ мощности осуществляется главным образом вблизи стзнск источника плазмы. Указанные закономерности бьли получены при работе с источниками длиной 15см и выше. При уменьшении длины источников до 10см ввод ВЧ мощности осуществлялся вблизи стенок источника плазмы при всех рассмотренных значениях индукции магнитного поля.

Для анализа полученные экспериментальные данные были сопоставлены с теоретическими [9], представленными на рис.З.

*) б)

Рис.8. Расчетное радиальное распределение амплитуды ВЧ полей при изменении индукции внешнего мапмтного поля, для источников плазмы радиусом 13=7.5см и длиной а) 10см и б) 15см. • -ВИмТл, о - В=2,5мТл, ■ - В=3,5мТл, а - В=5мТл, ▲ - В=10мТл

Динамика изменения расчетной радиальной зависимости поглощения ВЧ мощности плазмой при изменении индукции внешнего магнитного поля показала, что в 10см источнике, в оттмие от источника длиной 15см, ВЧ поля практически не проникают в центральные части разряда даже в области максимума эквивалентного сопротивления. Таким образом, результаты эксперимента качественно совпадали с расчетами. Это дает основание утверждать, что наблюдаемое в эксперименте перераспределение плотности плазмы связано с закономерностями проникновения геликонов и волн Трайвелписа-Голда в ограниченную плазму низкого давления

В четвертой главе рассматривается индуктивный разряд в неоднородном магнитном поле. Эксперименты были выполнены с источником плазмы диаметром 30 и длиной 20см, оснащенным торцевой спиральной антенной (см.рис.1а). Магнитное поле создавалось двумя кольцевыми электромагнитами, расположенными по торцам источника плазмы. Изменение полярности их подключения позволяло менять направление магнитного поля.

Были изучены четыре основные конфигурации магнитного поля: однородное поле, магнитное поле с нейтральным контуром, а также сходящееся и расходящееся магнитные поля.

Для анализа влияния величины и геометрии магнитного поля на характеристики разряда проводились измерения пространственных распределений интенсивности свечения плазмы, концентрации и температуры электронов, а также тока через антенну при различных значениях магнитного поля

На рис.9 показаны зависимости мощности, поглощенной плазмой, от величины внешнего магнитного поля на оси разряда для всех четырех рассмотренных конфигураций магнитного поля

Было показано, что эффективнее всего мощность вкладывается в объем плазмы при однородном магнитном поле Наиболее равномерное распределение плотности плазмы по радиусу источника обеспечивается в случае магнитного поля с нейтральным контуром Сходящееся магнитное поле позволяет существенно увеличить концентрацию плазмы вблизи оси источника плазмы.

1,0 1,5

В (мТл)

Рис.9. Зависимость величины ВЧ мощности Р,1:, поглощенной плазмой, от величины и конфигурации внешнего магнитного поля В; мощность ВЧ генератора -250Вт, давление - 1,5мТор 1, 2, 3 - соответственно однородное, сходящееся, расходящееся магнитное поле, 4 - магнитное поле с нейтральным контуром.

При проведении зондовых измерений в источнике плазмы, имеющем магнитное полем с нейтральным контуром, было получено, что рост тока через магниты приводит к росту температуры в центральном сечении источника, в то время как в сечении у фланца температура понижается (рис 10).

4,0-

2,0,

2,5-

ш « 2,0-

„ 1,5-

1.0-

0,5-

0,0-1

а)

Г

6 I г (см)

Рис 10 Радиальное распределение температуры электронов Г , полученное при разной силе тока, текущей через электромагниты, по сечению источника на расстоянии а) -10см и б) - 15см от антенны Магнитное поле с нейтральным контуром 1 - ток через магниты 0,8А, 2 -1 А, 3 -1,5А.

В пятой главе проанализированы возможности использования внешнего магнитного поля для повышения эффективности индуктивного ВЧ источника ионов и плазменного реактора низкого давления

Эксперименты были выполнены с источниками ионов радиусом 5см и длиной 5,10 и 15см При исследовании источника длиной 15см было получено, что эквивалентное сопротивление плазмы существенно возрастает с ростом магнитного поля от 0 до 8мТл, что приводит к увеличению доли мощности, поглощаемой плазмой Однако, ионный ток, извлекаемый из плазмы, не следует за изменением вложенной мощности Более того, есть участки, где рост вложенной мощности сопровождается падением ионного тока (рис 11) Причиной указанного эффекта является перераспределение плотности плазмы по объему газоразрядной камеры источника ионов, рассмотренное в четвертой главе

0 2 А 6 8 10 12 14

В(мТл)

Рис.11. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы Ип,, мощности Рт, поглощаемой плазмой, и ионного тока, от индукции однородного магнитного поля 1 -вложенная в плазму мощность, 2 - эквивалентное сопротивление плазмы 3 - ионный ток пучка

Наложение неоднородного магнитного поля на плазму индуктивного источника ионов дало положительные результаты. С помощью неоднородного магнитного поля, обеспечив высокое значение эквивалентного сопротивления и эффективное поглощение ВЧ мощности плазмой, удалось существенно снизить энергетические затраты на получение плазмы с высокой степенью ионизации

Также было показано, что изменяя величину внешнего магнитного поля, можно изменять пространственное распределение плотности ионного тока вблизи ионно-оптической системы источника ионов.

Поскольку в настоящее время актуально получение однородности плазмы на большом диаметре, то в качестве примера использования результатов данной работы для

разработки эффективных источников плазмы был создан плазменный реактор диаметром 50см. Лучшая однородность при его испытаниях была получена в реакторе длиной 20см с антенной диаметром 42см, на рабочей области диаметром 30см (рис.12)

я (СМ)

Рис 12 Распределение плотности тока ионов по радиусу Я плазменного реактора

□ - Рген=300Вт, А - Рга^БООВт, О - Рю^ООВт

Основные результаты и выводы.

1 Исследование эффективности вложения ВЧ мощности частоты ^у=13,56МГц в индуктивный разряд без магнитною поля показало, что она определяется двумя параметрами: концентрацией электронов и областью, где происходит поглощение ВЧ мощности, размер которой определяется объемом скии-слоя В случае расположения антенны на торцевой поверхности источника плазмы эффективность вложения мощности не зависит от длины источника при условии, что длина разрядной камеры превышает толщину скин-слоя. При увеличении мощности эффективность ее ввода сначала растет, а затем насыщается вследствие конкуренции двух факторов' роста поглощения с увеличением концентрации электронов и ухудшения поглощения с уменьшением толщины скин-слоя. Показано, что в отсутствие магнитного поля и при Р=2мТор в поглощении ВЧ мощности плазмой участвуют как столкновительный, так и бесстолкновительный механизмы При увеличении давления вклад столкновительного механизма растет

2 Проведены исследования эффективности ввода ВЧ мощности в плазму при наличии магнитного поля Показано, что при давлении р<10мТор эквивалентное сопротивление плазмы с ростом магнитного поля сначала возрастает, затем, пройдя через ряд локальных максимумов, падает Падение эквивалентного сопротивления приводит к срыву разряда Немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления

плазмы от магнитного поля определяется резонансами возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда, при этом основным механизмом поглощения ВЧ мощности является бесстолкновительный черенковский механизм поглощения энергии волны Трайвелписа-Голда В условиях наиболее эффективного поглощения мощность вкладывается в центральные области разряда При давлениях Р>10мТор поглощение определяется столкновительным механизмом 3 В области резонансного поглощения геликонов и волн Трайвелписа-Голда ВЧ поля проникают вглубь разрядного объема В магнитных полях, при которых частота ВЧ поля становится ниже частоты резонансов возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда, ввод ВЧ мощности осуществляется в пристеночной области источника плазмы, при этом эффективность вложения мощности снижается 4. Наложение неоднородного магнитного поля влияет на способность плазмы поглощать ВЧ мощность и приводит к существенному перераспределению концентрации плазмы по объему источника В условиях магнитного поля с нейтральным контуром в областях, где его величина соответствует условиям ЭЦР, при малости частоты кулоновских столкновений происходит локальный нагрев электронов, что позволяет управлять параметрами плазмы 5 Определены факторы, а именно величина и топология магнитного поля, размер источника плазмы, форма антенны, давление газа, изменение которых позволяет управлять эффективностью вложения ВЧ мощности, пространственным распределением концентрации и температуры электронов в плазме индуктивного ВЧ разряда. Эффективный ввод мощности в плазму достигается с внешним магнитным полем, соответствующим резонансному возбуждению геликонов и волн Трайвелписа-Голда При необходимости получения высокой концентрации на выходе источника целесообразно использовать сходящееся магнитное поле. Наиболее равномерное распределение параметров плазмы на выходе источника обеспечивается при использовании магнитного поля с нейтральным контуром По результатам работы создан источник плазмы диаметром 50см, с однородной плазмой на диаметре 30см

Литература.

1 R В Piejak, VA Godyak, and В M Alexandrovich, Plasma Sources Sci Technol, 1992, 1,179.

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

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

4 Гинзбург В Л, Рухадзе А А Волны в магнитоактивной плазме Наука, 1970

5 Вавилин К В , Плаксин В Ю , Ри М X, Рухадзе А.А Физика плазмы, 2004,30, №5

6 F F Chen, Plasma Phys Contr Fuston, 1991, 33,4, p 339

7 Александров А.Ф., Воробьев H Ф., Кралькина Е А, Обухов В А, Рухадзе А А, Журнал Технической Физики, 1994,64, №11, стр., 53-58

8 Shamrai К.Р and Taranov V.B. Plasma Phys Control. Fusion,1994,36,1719

9 А Ф Александров, Г.Э.Бугров, «.В.Вавилин и др Самосогласованная модель ВЧ индуктивного источника плазмы, помещенного во внешнее магнитное поле Физика плазмы, 2004, том 30, №5, стр.434-449.

Список публикаций по теме диссертации.

1 A F Aleksandrov, GEBugrov, I.FKerimova, SGKondranin, EAKralkina, V.B.Pavlov, V.Yu.Plaksin, AARukhadze, KV.Vavilin // Self-consistent model of RF inductive plasma/ion source located in the external magnetic field. Journal of Russian Laser Research, 2003, V. 24, N.4, p 301-321

2 А ФАлександров, Г.Э.Бутров, ЮВ.Вавилин, И.К.Керимова, СГКондранин, Е А Кралькина, В.Б.Павлов, В.Ю. Плаксин, А А Рухадзе // Самосогласованная модель ВЧ индуктивного источника плазмы, помещенного во внешнее магнитное поле Физика плазмы, 2004, том 30, №5, стр.434449.

3. АФАлександров, Г.Э.Бугров, К.В Вавилин, И.Ф.Керимова, Е А Кралькина, В Б.Павлов, В Ю Плаксин, АА 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

4 АФАлександров, Г Э Бугров, КВ.Вавилин, СГКондранин, Е А Кралькина, В.Б Павлов, А А. Рухадзе // Плазменный реактор и устройство для генерации плазмы. Патент Российской Федерации на изобретение №2196395 2003г.

5 AF. Alexandrov, Т.В. Aritonova, G.E Bougrov.W К. Choi, Н G Jang, Н .J Jung, S К Koh, S G. Kondranin, V.B. Pavlov, A.A. Rukhadze // Characteristics of Low Power HF 10-cm Technological Ion Source. Proceedings of XXIII International Conference

on Phenomena in Ionized Gases, July 1997, Toulouse - France, pp III-88

6 A F Alexandrov, G.EBougrov, S.K. Kondranin, E.AKralkina, VB 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, 1722 July 2001 Nagoya, Japan vol, pp.33-34.

7 AFAIexandrov, G.E.Bougrov, IK. Kenmova, S.K Kondranin, EAKralkina, VB Pavlov, VJ Plaksin, AA Rukhadze KV Vavilin //The Inductive Discharge Plasma Parameters Calculation in Conditions of External Magnetic Field 30-th Zvenigorod Conference of Plasma Physics and Controlled Fusion Zvenigorod, Russia, February 24-28,2003. Contributed papers, T3

8 AFAlexandrov, GE.Bougrov, IK. Kenmova, S.K Kondranin, E.AKralkina, VB Pavlov, V J Plaksin, A A Rukhadze K V Vavilin // An Absorption of RF Power by Inductive Discharge Plasma Placed in External Magnetic Field Expenmental Study 30-th Zvenigorod Conference of Plasma Physics and Controlled Fusion Zvenigorod, Russia, February 24-28,2003 Contributed papers, T4.

9 A.FAIexandrov, G.E.Bougrov, IK Kenmova, S.K. Kondranin, EAKralkina, VB. Pavlov, VJ Plaksin, A A Rukhadze, KV Vavilin // Self-consistent model of RF inductive plasma source located in the external magnetic field. Lomonosov Readings, MSU, Physical Faculty, Apnl 18-25,2003, Annotation, pp 90-92.

10 AFAIexandrov, G.EBougrov, IK Kenmova, S.K. Kondranin, EAKralkina, VB Pavlov, V.J Plaksin, A A Rukhadze, KV. Vavilin // The Self-Consistent Mode! of "Helicon" Plasma Source. IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, September 15-19,2003 Contributed papers 1 33

11 A FAIexandrov, G.EBougrov, IK Kenmova, SK Kondranin, EAKralkina, VB Pavlov, V.J Plaksin, AA Rukhadze, K.V. Vavilin // The efficiency of RF power lead in low pressure discharge. Russian conference of Physical Electronics Mahachkala, Russia, September 23-26,2003. Contributed papers, 95-98

Подписано к печати i4-.di.0F> Тираж ЦЩ_ Заказ 169

Отпечатано а отделе оперативной печати физического |[>аку\ьтета VIГУ

*2¡86Q

РНБ Русский фонд

2006-4 27973

ft Введение.

Научная новизна работы.

Основные положения работы, выносимые на защиту.

Практическая ценность работы.

Апробация диссертации.

Структура и объем диссертации.

Глава 1 Обзор литературы.

1.1 Устройства, работающие на индуктивном ВЧразряде.

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

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

1.2 Индуктивный В Чразряд без внешнего магнитного поля.

1.2.1 Проникновение ВЧ полей в плазму.

1.2.2 Поглощение ВЧ мощности плазмой.

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

1.3.1 Проникновение В Ч полей в плазму и исследование их поглощения

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

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

1.5 Выводы.

1.6 Понятие эквивалентного сопротивления плазмы.

1.7 Цель работы и постановка задачи.

Глава 2 Условия экспериментов и методики измерений.

2.1 Экспериментальные установки.

2.2 Условия экспериментов.

2.3 Методики измерений.

2.3.1 Зондовые измерения. f* 2.3.2 Оптические измерения.

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

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

2.3.3 Измерение ВЧ тока.

2.3.4 Определение эквивалентного сопротивления.

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

3.1 Случай однородного магнитного поля.

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

3.1.2 Результаты определения параметров плазмы.

3.1.3 Результаты измерения величины мощности, поглощенной плазмой.

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

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

3.2.2 Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов.

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

3.3.1 Зависимость эквивалентного сопротивления от типа антенны.

3.3.2 Зависимость эквивалентного сопротивления от величины внешнего магнитного поля.

3.3.3 Зависимость эквивалентного сопротивления от геометрических размеров источника плазмы.

3.3.4 Зависимость эквивалентного сопротивления от рода газа.

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

Глава 4 Индуктивный разряд в неоднородном магнитном поле.

4.1 Результаты определения доли мощности, поглощенной плазмой.

4.2 Случай расходящегося магнитного поля.

4.3 Случай магнитного поля с нейтральным контуром.

4.4 Случай однородного магнитного поля.

4.5 Случай сходящегося магнитного поля.

4.6 Обсуждение результатов.

Глава 5 Разработка перспективной модели ВЧ источника плазмы

5.1 Типичная конструкция В Ч источника плазмы. Методика эксперимента.

5.2 Результаты экспериментов.

5.2.1 Обеспечение ввода ВЧ мощности в плазму.

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

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

Выводы.

Актуальность темы.

Диссертация посвящена исследованию поглощения ВЧ мощности промышленной

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

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

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

Научная новизна работы.

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

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

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

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

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

Практическая ценность работы:

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

Апробация диссертации.

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Выводы.

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

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

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

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

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

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11

12

13

14:

15

16

17

18

19.

20

21

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

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

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

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

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

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

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

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

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