Поверхностные волны пространственного заряда в СВЧ-структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

1 ч - ы V/ «■

1/1

■у (

7

(

/ #

-I, /

Г.

РОССШ1СКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Инстшут радиотехники и электроники

На прав ах рукописи

ЕАБЕНКО ВЛАДИМИР АЖКСАНДРОВИЧ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА

В СВЧ-СТРЖГУРАХ

01.04.03. Радиофизика

Диссертация насоискание ученой степени кандидагафизико-махематических наук

Научный консультант -доктор физ.-мат. наук, профессор Гришрьянц В. В.

Москва 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Введение.............................................................................................................................................................................3

Глава 1. Теоретический анализ распространения поверхностных волн пространственного заряда (ГЮГО) в дол, поверхности диэлектрического цилиндра

1.1 Постановказадачи...........................................................................................................................................И

1.2 Определение дисперсионных характеристикПВПЗ..........................................................................23

1.3 Результаты.........................................................................................................................................................38

Глава 2. Экспериментальная уст ановка для исследования ПВПЗ в цилиндрической

СВЧ-структуре.

2.1 Устройствами возбуждения ПВПЗ. Расчет СВЧ-устройетвадля возбуждения ПВПЗ

и вакуумной камеры..................................................................................................................................39

2.2 О писание установки.....................................................................................................................................49

2.3 Результаты.........................................................................................................................................................52

ГлаваЗ. Исследование параметров ПВПЗ, распространяюгцихся вдоль поверхности

кварцевого цилиндра

3.1 Параметры симметричной ПВПЗ..........................................................................................................53

3.2 Параметры несимметричной ГЮГО........................................................................................................84

3.3 Резужгаш.........................................................................................................................................................89

Глава4. Исследование свойств ПВГО, распространяющейся вдоль плоской волноведущей

СВЧ-структуры, и возможностей её прикладного использования.

4.1 Теоретический анализ ПВПЗ, распространяющейся вдоль плоской волноведущей СВЧ^руктуры.................................................................................................................................................90

4.2 Использование ПВПЗ в плоской металлодиэлеюрической СВЧ-структуре для осаждения плёнки аморфного углерода на диэлектрические подложки.................................101

4.3 Результаты.........................................................................................................................................................107

Заключение....................................................................................................................................................................108

Литература....................................................................................................................................................................110

ВВЕДЕНИЕ.

Газовый разряд, инициируемый электрическим пробоем, в результате которого возникает шшзменная среда, является богатым физическим явлением, стоящим на одном из первых мест по своему использованию как в научных, так и прикладных исследованиях.

В зависимости от способавозбуждения существуют несколько основных видов газового разряда, а именно : разряд постоянного тока, импуш,сный разряд и разряд в переменном, обычно гармоническом, электрическом поле. В последние годы большой интерес привлекает к себе газовый разряд, возбуждаемый СВЧ-колебаниями различного вида; это объясняется несколькими причинами:

1) широкими возможностями возбуждения СВЧ-разряда с разнообразными энергетическими характеристиками и геометрией за счёт многообразия СВЧ-волноводных и резонансных структур и элементов, наличием высокоэффективных мощных СВЧ-генерагоров и контрольно-измерительной аппаратуры в этом диапазоне;

2) возникновением специфических «слоистых» резонансных или волноводных структур, важнейшим из элементов которых является шшзменная среда, придающая упомянутым СВЧ-структурам новые полезные свойства;

3) высокой активностью и другими особенностями физико-химических процессов, происходящих в газовом СВЧ-разряде, позволяющими использовать его в целом ряде новых перспективных технологий, в частности, для получения диэлектрических плёнок различного типа, применяемых в микроэлектронике, медицине и т.д.

Кроме того, скорость образования плёнок, их физико-химические свойства и геомегрия могут служить своеобразным индикатором свойств газового СВЧ-разряда, таких как распределение поглощённой мощности, концентрации электронов и пр.

Основная идея данной работы состоит в использовании дня возбуждения, изучения и практического применения СВЧ-разрадав газах волноводов поверхностной волны, прежде всего плоских или круглых в силу их простоты и удобства использования. При подведении достаточной СВЧ-

и и и V '

мощности к такой структуре, окруженной газовой смесью определенного состава, на ней возоуж-

дается поверхностный разряд в результате распространения поверхностной волны пространственного заряда (ПВГО) вдол» поверхности волновода

Впервые поверхностная волна пространственного заряда исследовалась в работе [1]: волна пространственного заряда, распространявшаяся по внутренней поверхности стеклянной трубы, расположенной внутри металлического волновода, впоследствии получившей название «волна Трайвежиса-Гоудца». Позже появились устройства, позволяющие создавать плазменные столбы большой протяжённости (до 2-х метров и больше [43]) при распространении ПВШ по внутренней поверхности диэлектрических труб при пониженном давлении газовой среды (&ти1к(гоп) [44,45]. ВЧ-и СВЧ-разряды, создаваемые этими устройствами в различных условиях, исследовались целым рядом авторов [46-51,55,69-70 и др.] и нашли широкое применение в различных научно-технических приложениях: для создания инверсной заселённости в активных средах Н-Ь' (ели О-Р) [21] и Не-Ме [22] лазеров, в спектральных источниках для атомной эмиссионной спектроскопии [23-25], в источниках ионов [26], в спектральных лампах [6], для нанесения тонких плёнок на плоские подложки [27,28], защитного покрытия наволоконные световоды [29] и пр.

Распространение поверхностной электромагнитной (как считают авторы статьи) волны, поля которой в диэлектрике определялись гиперболическими функциями, вдоль плоской волноведутцей мегаллодиэлектрической структуры, находящейся в продольном (вдоль структуры) магнитном поле, рассмотрено в теоретической работе [41]. В ней показано, что в зависимости от величины последнего изменяются поперечный и продольный размеры плазменной среды, локализованной вдоль структуры.

Распространение поверхностной электромагнитной волны вдоль метаплодиэлектрических структур цилиндрической геометрии рассмотрено в [56,57], причём в последней работе в качестве диэлектрика была вакуумная прослойка между металлическим стержнем и плазменной средой, которая образовывалась (прослойка) за счёт приложении к стержню постоянного потенциала

Плазменная средав длинной (до 1,5 м, ширина-0,04 м) полосковой линии, образованной двумя плоскими металл-тонкий диэлектрик структурами исследовалась в [58,59]. Показано, что при подведении ВЧ-мощности (/=27 МГц) в полосковой линии при пониженном давлении газовой среды (Р(Аг)И-120 Па) образуется существенно неоднородный по сечению и вдоль структур плазменный слой из-за образования режима«стоячей волны» вдоль полосковой линии.

В работе [54] в целях диагностики низкотемпературной плазмы рассматривалось распространение поверхностной электромагнитной волны вдоль тонкого кварцевого стержня, погруженного в плазменную среду.

Рассмотренные в работах [41,54,56-59] волтноведущие структуры являются достаточно перспективными сточки зрения возможностей их использования в различных шшмохимических процессах и технологиях, например, для нанесения на диэлектрические подложки большой площади поверхности (>1000 см2) алмазных и алмазоподобных плёнок, получения заготовок волоконных световодов и т.д., а также в различных научных приложениях - в качестве источников ионов, спектральных источников и пр.

Однако, рассмотренная в случае плоской меташтодиэлекгрической структуры поверхностная волна, поля которой в диэлектрике определяются гиперболическими функциями [41], не является единственной волной, которая может распространяться в данной структуре. Как показано в настоящей работе, теоретически и экспериментально (см.га.4), в указанной структуре возможно распространение ПВГО, поля которой в диэлектрике определяются тригонометрическими функциями.

Для того, чтобы возбудить поверхностную волну, рассмотренную в [41], СВЧ-энергию необходимо подводить непосредственно к поверхности диэлектрической пластины со стороны вакуума (внешней стороны), поскольку нормальная компонента электрического поля волны, ответственная за пробой в газовой среде, в вакууме имеет максимум величины на границе с диэлектриком и экспоненциально убывает в глубь последнего к границе с металлом. Для этого необходимо использовал, коаксиальную линию, внутренний проводник которой должен быть связан с внешней стороной диэлектрика,, или диэлектрический волновод. Однако, в этом случае поперечное распределение подводимой СВЧ-энергии, а, следовательно, и поперечное распределение мощности возбуждаемой ПВГО, будет существенно неоднородным с максимумом в центре поперечного сечения диэлектрической пластины. Поперечный размер области, где поперечное распределение мощности

ПВГО можно считать достаточно однородным, относительно мал и составляет примерно ^ " К

часть ш ирины пластины.

В случае ПВГО, поля которой в диэлектрике определяются тригонометрическими функциями, максимум нормальной компоненты электрического поля в диэлектрике находится на границе с металлом и поэтому для возбуждения ПВГО можно использовать, как это было сделано в настоящей

работе (см.гл.4), полосковую линию, образованную двумя плоскими металлическими поверхностями и заполненную диэлектриком, например, в виде кварцевой призмы.

Поперечная однородность распределения мощности ИВГО определяется количеством одновременно распространяющихся в полосковой линии нечётных симметричных мод типа #(2п+1)0 ,

где п=ОД,..., суммарная интенсивность которых и определяет поперечное распределение мощности ПВПЗ. Число мод т = пашх+1 определяется поперечным размером а и диэлектрической проницаемостью диэлектрика ел : /Я+1/2 , где X - рабочая длина волны СВЧ-генерагора К тому же, СВЧ-мощностъ, которую можно подвести к волноведущей структуре по полосковой линии может быть существенно больше по величине максимальной мощности, которую можно подвести по коаксиальной линии.

Таким образом, степень поперечной неоднородности мощности ПВГО, поля которой в диэлектрике определяются тригонометрическими функциями, существенно меньшей, чем для ПВГО, поля которой определяются гиперболическими функциями, что делает этот тип волны более перспективным в целом ряде практических приложений, например, при создании новых технологий производстватонких диэлектрических плёнок.

Целью настоящей работы являлось исследование условий возникновения, основных физических свойств и особенностей распространения ПВГО вдоль волноведущих СВЧ-структур двух базовых типов, а именно: цилиндрической диэлектрической и плоской металлодиэлектрической как наиболее распространённых и определение для указанных структур энергетических и электродинамических характеристик ПВГО в зависимости от условий разряда, прежде всего, от давления газовой среды, подводимой СВЧ-мощности и геометрических параметров волноведущей СВЧ-структуры. Кроме того, в практическом плане была поставлена задача оценить и реализовать возможность использования ПВГО, как основы нового перспективного способа получения диэлектрических плёнок достаточно произвольной геометрии с увеличенной площадью по сравнению с уже известными способами.

Для достижения поставленной цели автору было необходимо: 1) построить качественную теорию, отвечающую поставленной задаче, которая могла бы адекватно описать основные физические особенности процессавозникновения и распространения ПВГО в выбранных СВЧ-структурах;

2) создать СВЧ-усгановку для эксперименташюто исследования свойств ПВШ, в том числе разраг ботать и изготовить устройствавозбуждения ПВЮ для диэлектрического круглого и мегаштоди-элекгрического плоского волноводов;

3) провести необходимые экспериментальные исследования свойств ПВШ и сопоставить их результаты с результатами качественной теории;

4) провести пробные осаждения на кварцевые подложки ряда диэлектрических плёнок, определить их характеристики и оценить перспективность использования ПВШ для создания новой технологии получения диэлектрических плёнок

Научная новизна проведенных исследований (эксперименгашюге и теоретическою) состоит в следующем:

1) получены дисперсионные характеристики и условия распространения ПВШ вдоль волноведу-тцих структур в различных режимах распространения, определяющихся распределениями полей внутри диэлектрика- в кварцевой цилиндрической и в плоской мегаллодиэлектрической;

2) получены энергетические характеристики ПВШ (для кварцевого цилиндра) и распределения полей с учётом потерь в плазменной среде.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием адекватной качественной теории, описывающей свойстваПВГО в указанных структурах, проверенных экспериментальных методик и общепринятых способов обработки экспериментальных данных.

Базащ игу выносятся:

1) определение основных закономерностей процессараспространения ПВШ вдоль волноведущих СВЧ-структур двух базовых типов: цилиндрической диэлектрической и плоской меташюдиэлек-трической;

2) экспериментальная установка, в том числе расчёт и схемы устройств для возбуждения ПВШ, распространяющихся вдоль волноведущих СВЧ-структур в виде диэлектрического цилиндрам плоского мегаплодиэлекгрического волновода;

3) способ нанесения диэлектрических плёнок на подложки, основанный на использовании ПВШ.

Теоретический анализ ПВШ, распространяющихся вдоль цилиндрической (см. главу 1) и плоской металлодиэлекгрической (для волны, поля которой в диэлектрике определяются тригонометрическими функциями) (глава4) СВЧ-структур, позволил определить их основные свойства, условия распространения, электродинамические характеристики ПВШ, а также поперечные размеры

кварцевой трубы, ограничивающей объём с коаксиально расположенным кварцевым цилиндром. Кроме того, установлено, что потоки энергии в поверхностной волне пространственного зардда, переносимые внутри диэлектрика и в плазменной среде, распространяются в противоположных направлениях: внутри диэлектрика - от генератора, вне его (в плазменной среде) - к генератору; определены зависимости волновых чисел (внутреннего и внеш него) и коэффициентазамедления от концентрации электронов и поперечных размеров волноведущих структур, эффективность поглощения подводимой СВЧ-энергии, продольные (вдоль оси кварцевой СВЧ-структуры) распределения потоков энергии, распространяющихся внутри и вне кварцевого цилиндра, радиальные распределения компонент электрического поля ПВПЗ. Указанные параметры позволяют определить энергетические характеристики волноведущ ей структуры, например, максимальную подводимую СВЧ-мощность из условия достижения максимашюй допустимой разности температур (ДГ)^ поверхности и на оси кварцевого цилиндра (w™ га(&Т)жХгЦ = 5,А1кВт ,ще £ - 2гщ / ptf ~ 111,7 (для имеющих место в работе разрядных условий), Хг - коэффициент теплопроводности кварца, L - длиназоны локализации ПВПЗ, v1 - частота ионизации, рх - усреднённый по длине зоны локализации внеш нее волновое число, Vt - тепловая скорость ионов, (ДГ)_« 3000).

Экспериментальные исследования ПВПЗ, распространявшихся по кварцевому цилиндру, позволили определить энергетические характеристики последних (удельное поглощение на единицу длины плазменного столба, Wfd = 75 + 225 Вт/см), усреднённый по длине области локализации

ПВПЗ коэффициент замедления (TP = 1,41, кварцевый цилиндр), длину области локализации поверхностной волны пространственного заряда, продольное распределение концентрации электронов и их зависимость от давления газовой среды и подводимой СВЧ-мощности (см. главу 3 ). Кроме того, в случае кварцевого цилиндра проведено теоретическое обоснование наблюдаемого продольного распределения концентрации электронов в «стоячей» волне пространственного заряда (глава 3).

Значительное внимание в работе уделяется устройствам возбуждения поверхностных волн. Приведен детальный расчет СВЧ-устройства для возбуждения ПВПЗ, трансформирующего подводимую к нему СВЧ-энергию в энергию азимутально-симметричной ПВПЗ (Я01), распространяющуюся вдоль поверхности кварцевого цилиндра при пониженном давлении газовой среды.

Кроме того, приведена схема СВЧ-устройства для возбуждения ПВШ гибрвдного типа {НЕп) �