Влияние емкостной составляющей на характеристики индуктивного ВЧ разряда низкого давления

Ахмедова, Ирада Фаик кызы

Влияние емкостной составляющей на характеристики индуктивного ВЧ разряда низкого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Ахмедова, Ирада Фаик кызы АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние емкостной составляющей на характеристики индуктивного ВЧ разряда низкого давления»

Автореферат диссертации на тему "Влияние емкостной составляющей на характеристики индуктивного ВЧ разряда низкого давления"

На правах рукописи

им

Ахмедова Ирада Фаик кызы

Влияние емкостной составляющей на характеристики индуктивного ВЧ разряда низкого давления.

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

и о 'о

Москва 2008

003455678

Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета МГУ имени

М.В.Ломоносова.

Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение «Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики»

Защита состоится 18 декабря 2008 г. в 14-00 на заседании Диссертационного совета Д. 501.001.66 Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 5-19.

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

Автореферат разослан «18» ноября 2008г.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор

Александров Андрей Федорович кандидат физико-математических наук, Кралькина Елена Александровна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Синкевич Олег Арсеньевич

кандидат физико-математических наук,

доцент

Арсенин Алексей Владимирович

Ученый секретарь

доктор физико-математических наук

А.П. Ершов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время индуктивный ВЧ разряд низкого давления широко применяется в промышленных плазменных технологиях благодаря своим свойствам: высокой концентрации электронов, достигаемой при относительно невысоком уровне ВЧ мощности, небольшой температуре электронов, а, следовательно, невысокому потенциалу плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд, отсутствию контакта плазмы с металлическими электродами, возможностью использования в качестве рабочих химически активных газов. Очевидно, что развитие плазменных технологий неизбежно приводит к повышению требований к возможностям и параметрам источников плазмы, основанных на индуктивном ВЧ разряде. Усовершенствование таких источников плазмы может быть выполнено только на основе детального понимания физических процессов, происходящих в индуктивном разряде.

Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За долгие годы его исследования накоплен огромный экспериментальный материал, построены теоретические модели разряда, исследованы закономерности проникновения ВЧ полей в плазму и механизмы поглощения ВЧ мощности. Однако в последние десятилетия было показано, что большинство экспериментальных работ, посвященных исследованию индуктивного ВЧ разряда низкого давления, содержит систематическую погрешность, связанную с некорректным учетом потерь мощности в индукторе, поддерживающим разряд. Как оказалось, величина мощности, поглощаемая плазмой разряда при низких давлениях не тождественна мощности, отдаваемой ВЧ генератором во внешнюю цепь, а делится между активным сопротивлением внешней цепи и плазмой. ВЧ мощность поступает в плазму по двум каналам: индуктивному, существующему благодаря току, текущему по индуктору или антенне, и емкостному, существующему благодаря наличию емкостной связи между антенной и плазмой. Взаимное влияние каналов, а также зависимость импеданса плазмы, передающего способность поглощать ВЧ мощность, от ее параметров может привести к появлению ряда самосогласованных эффектов, анализ которых позволяет глубже понять физические процессы, происходящие в разряде. В связи с этим закономерен интерес к изучению особенностей энерговклада в индуктивный ВЧ разряд низкого давления, особенно при наличии значительной емкости между индуктором и плазмой.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию особенностей разряда, возникающих при горении индуктивного ВЧ разряда, обладающего емкостной

составляющей, в режимах, при которых существенны потери мощности во внешней цепи разряда, а также математическому моделированию поведения разряда. В связи с этим тем диссертационной работы представляется актуальной.

Цель работы

Основные задачи диссертационной работы:

• экспериментальное исследование особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряд при которых существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепь разряда;

• математическое моделирование особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, пр которых существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепь разряда;

• изучение влияния емкостной составляющей индуктивного разряда на ввод мощности чер индуктивный канал и режимы горения такого ВЧ разряда.

• обобщение самосогласованной модели индуктивного ВЧ разряда низкого давления на спуча индуктивного ВЧ разряда с независимым емкостным каналом;

• математическое моделирование режимов горения индуктивного ВЧ разряда, обладающе независимой емкостной компонентой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Экспериментально изучены режимы горения индуктивного ВЧ разряда низкого давления, п

которых существенны потери мощности во внешней цепи разряда. Показано, что п

изменении мощности ВЧ генератора или величины внешнего магнитного поля происход

перераспределение мощности между плазмой и активным сопротивлением внешней цеп

проявляющееся в насыщении плотности плазмы при увеличении мощности ВЧ генератор

немонотонном характере изменении параметров плазмы при изменении внешнего магнитно

поля, гистерезисе концентрации и эффективной температуры электронов при увеличении

уменьшении величин мощности ВЧ генератора и индукции внешнего магнитного по

Показано, что особенности перераспределения мощности при изменении внешн

параметров разряда связаны с изменением способности плазмы поглощать ВЧ мощно

которая немонотонно зависит от плотности плазмы и величины внешнего магнитного по

Установлено, что физическая причина вышеуказанного при отсутствии магнитного по

состоит в резком сужении области проникновения ВЧ полей в плазму при высок

концентрации электронов. При наличии внешнего магнитного поля немонотонность связана с существованием резонансов возбуждения связанных между собой геликонов и косых Ленгмюровских волн..

• Экспериментально исследовано влияние емкостной составляющей на параметры ВЧ индуктивного разряда. Показано, что наличие емкостного канала приводит к изменению доли мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал. Это, в свою очередь, приводит к изменению условий перехода индуктивного разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, сглаживанию немонотонной зависимости плотности плазмы от величины внешнего магнитного поля и исчезновению гистерезиса.

• Обобщена самосогласованная модель ВЧ индуктивного разряда на случай разряда с независимой емкостной компонентой. Выполнено математическое моделирование поведения разряда в широком диапазоне параметров разряда и величин мощное™, подводимых к плазме через индуктивный и емкостной каналы. Выявлены закономерности влияния емкостной составляющей на долю мощности, поступающую в плазму через индуктивный канал. Показано, что они определяется связью эквивалентного сопротивления плазмы с параметрами плазмы (плотностью и эффективной температурой электронов, частотой столкновений электронов с нейтралами) и величиной внешнего магнитного поля.

Практическая ценность работы

Научная ценность состоит в том, что полученные результаты могут служить основой для объяснения физических свойств индуктивного ВЧ разряда низкого давления, обладающего емкостной компонентой, построения полной физической модели такого разряда. И таким образом, результаты могут служить научной базой при конструировании и выборе оптимальных режимов технологических источников плазмы низкого давления.

Апробация диссертации.

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

1. Тезисы докладов XXX международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС., Россия, февраль 24-28,2003. ■ 2. Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, апрель 18-25,2003

3. Ill Международный симпозиум 'Термохимические процессы в аэродинамике плазмы". Петербург, Россия, июль 2003.

4. IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology.Minsk, Belarus, September 1 19,2003

5. Российская конференция по Физической электронике, Махачкала, Россия, сентябрь 23-26,2003

6. V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, September 18 22,2006.

7. XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases July 15 - 20 2007, Prague, Cze Republic

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях и 12 тезисах, список которых приведен конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.. Первая глава носит вводны характер и содержит обзор литературы, вторая глава содержит описание установки и основнь использованных экспериментальных методов. Третья и четвертая главы оригинальны. В цело диссертация содержит 115 страниц, включая 62 рисунка и библиографию из 96 наименований.

II. Содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

Во введении сформулированы основные цели и задачи диссертации, представлен актуальность данных исследований, научная новизна и практическая ценность, перечислен защищаемые положения и кратко изложено содержание всех глав диссертации.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных раб посвященный исследованию физических свойств индуктивного высокочастотного разряда низко давления.

Величины ВЧ мощности, поглощаемая плазмой ндуктивного разряда, определяет выражением:

где Е,, Er, Ez азимутальная, радиальная и продольная компоненты ВЧ электрического по в плазме, е^. £,".£"- мнимые части компонентов тензора диэлектрической проницаемое плазмы. Интегрирование ведется по всему объему плазмы. В индуктивном разряде

электрические поля пропорциональны току, текущему в антенне, поэтому уравнение (1) можно переписать в виде:

(2)

где коэффициент пропорциональности Rpi между вложенной мощностью и квадратом тока через антенну имеет размерность сопротивления и зависит только от свойств плазмы. В литературе множитель Rpi принято называть эквивалентным сопротивлением плазмы. В работах А.Ф.Александрова и др. показано, что физический смысл эквивалентного сопротивления плазмы состоит в том, что оно является мерой способности плазмы поглощать ВЧ мощность. Его величина зависит как от характера проникновения полей в плазму, так и от механизма поглощения мощности, т.е. определяется основными фундаментальными свойствами плазмы индуктивного разряда. На кафедре физической электроники физического факультета МГУ были выполнены систематические исследования зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от ее параметров и внешних параметров разряда при низких давлениях (ЮмТор и меньше). Поглощение ВЧ мощности растет с ростом концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ мощности, убывает с ростом пе. Вследствие этого зависимость Rpi от концентрации электронов является немонотонной, т.е. способность плазмы поглощать ВЧ мощность в области высоких пе убывает благодаря экранировке ВЧ полей. В области давлений нейтрального газа порядка ЮмТор вклад в поглощение ВЧ мощности вносят как столкновительный, так и черенковский механизмы. Понижение давления приводит к усилению роли черенковского механизма поглощения ВЧ мощности.

Наложение внешнего магнитного поля на плазму индуктивного ВЧ разряда может привести к возбуждению двух связанных между собой волн: геликона и косой ленгмюровской волны. При значениях магнитного поля, соответствующих областям резонансного возбуждения волн, ВЧ мощность эффективно поглощается плазмой. Это отражается в появлении локальных максимумов в зависимости эквивалентного сопротивления от величины внешнего магнитного поля. Увеличение плотности плазмы при фиксированном магнитном поле приводит к понижению значений эквивалентного сопротивления в силу экранировки ВЧ электрических полей при выходе плазмы из резонанса. В области резонанса при низких давлениях доминирующим механизмом диссипации является черенковское поглощение квазипродольной косой ленгмюровской волны.

В индуктивном ВЧ разряде мощности генератора делится между двумя нагрузками плазмой и антенной, обладающей активным сопротивлением Rant. При этом выражение дл баланса мощности во внешней цепи генератора принимает вид:

где / - ток, текущий через антенну, Rant - сопротивление антенны, a Rpi -эквивалнтно сопротивление плазмы.

Обзор работ, посвященных исследованию эквивалентного сопротивления плазмь показывает, что абсолютные значения Rpi при отсутствии магнитного поля и давлениях мен ЮмТор не превосходят 1.50м. Наложение на разряд внешнего магнитного поля, величина которог соответствует областям резонансного возбуждения геликонов и косых ленгмюровских вол приводит к повышению эквивалентного сопротивления до 10-200м, однако, при отсутстви резонанса значения эквивалентного сопротивления существенно ниже. Обзор экспериментальны работ, посвященных исследованию эффективности ввода ВЧ мощности в плазму индуктивно разряда, показывает, что эффективное сопротивление внешней цепи Ra„t, измеренное в различнь постановках эксперимента, составляет величину 0 2-ЗОм. Таким образом оказывается, что ввести В мощность в плазму индуктивного ВЧ разряда без потерь практически невозможно. Впервые на э указал В. Годяк в середине 90х годов XX века.

Очевидно, что при условии

поведение индуктивного ВЧ разряда кардинально изменяется. Параметры плазм определяются мощностью, вложенной в плазму Рр/. Однако, при выполнении неравенства ( РР1 зависит не только от мощности ВЧ генератора, но и от величины эквивалентно сопротивления плазмы, которое в свою очередь зависит от параметров плазмы и услов ее поддержания. В работах А.Ф. Александрова и др. на основании математическо моделирования были изучены режимы индуктивного ВЧ разряда, для которых выполняет неравенство (3) и предсказано существование эффектов, связанных с перераспределение мощности между плазмой и внешней цепью разряда. Экспериментально указанные вы11 режимы разряда изучены не были.

Известно, что в индуктивном ВЧ разряде существует канал ввода ВЧ мощности плазму, связанный с наличием паразитных емкостей между витками антенны, а также ме;

(3)

(4)

RplSRant

(5)

антенной и плазмой. В настоящее время в литературе принята точка зрения, что индуктивный разряд поджигается и горит при малых мощностях за счет потенциальных полей, существующих между витками индуктора. По мере роста мощности ВЧ генератора растет ток через антенну I, и по достижению / значений, необходимых для существования индуктивного режима, разряд переходит в моду, которая поддерживается вихревыми полями. Наличие паразитных емкостей между антенной и плазмой сопровождается, во-первых, изменением тока, текущего через антенну, а, во-вторых, изменением параметров плазмы, в свою очередь определяющих эквивалентное сопротивление плазмы и долю

I мощности, поступающую в плазму через индуктивный канал. Обзор литературы показал, что

в настоящее время отсутствует анализ влияния емкостной составляющей на свойства индуктивного ВЧ разряда и величину мощности, поступающей в разряд через индуктивный канал.

В конце первой главы сформулирована цель диссертации.

Вторая глава содержит описание условий экспериментов и методики измерений.

При экспериментальных исследованиях использовались цилиндрические источники плазмы длиной от 5см до 20см и радиусом от 5см до 25см, закрытые с торцов диэлектрическими фланцами. 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.

Для возбуждения и поддержания индуктивного ВЧ разряда в источниках плазмы применялись торцевые (рис.1а) и боковые (рис.1б) спиральные антенны.

Для изучения влияния емкостной связи между антенной и плазмой на характеристик индуктивного разряда на поверхности источников плазмы дополнительно к спирал размещались обкладки конденсатора (см. рис. 1с). Рассматривалось два случая расположение обкладок на внешней и внутренней поверхности источника плазмы. Наличи обкладок конденсатора на поверхности источника плазмы позволяло организоват контролируемый емкостной канал ввода мощности так, что индуктивная связь межд антенной и плазмой оставалась неизменной.

Для возбуждения и поддержания чисто индуктивного разряда в источниках плазм концы антенны через систему согласования и измеритель мощности подключались к В генератору с рабочей частотой 13.56МГц.

Для изучения роли емкостной составляющей в первой серии экспериментов обкладк конденсатора, расположенные на поверхности источника плазмы, через отдельную систем согласования подключались ко второму ВЧ генератору, мощность которого можно был изменять независимо от генератора, питающего индуктор. В ряде экспериментов пр расположении обкладок конденсатора внутри разряда они подключались к источни постоянного тока.

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

В заключение главы описаны применявшиеся в работе методики измерений внешн и внутренних параметров разряда: метод зондов Ленгмюра, методика измерен пространственного распределения концентрации плазмы и эффективной температу электронов по отношению интенсивности спектральных линий, методика измерения токов «поясом Роговского».

В третьей главе диссертации экспериментально изучено влияние потерь мощности во внешней цепи разряда на параметры индуктивного ВЧ разряда. При проведении экспериментов использовались антенны с эффективным сопротивлением 1-40ма. Таким образом, в экспериментах, как правило, выполненялось неравенство Rpi<Ra„t

Цель первой серии экспериментов состояла в выявлении особенностей поведения индуктивного ВЧ разряда как целого при изменении величины внешнего магнитного поля. Для этого измерялись зависимости зондового ионного тока насыщения ¡р, и/или интенсивности Int интегрального свечения плазмы от величины магнитного поля В при фиксированной мощности ВЧ генератора и от мощности ВЧ генератора Рдеп при фиксированных значениях магнитного поля В.

Эксперименты показали, что при давлениях газа менее ЮмТор, зависимости ip и Int от величины внешнего магнитного поля, полученные в источниках плазмы разного размера, оснащенных спиральными антеннами, расположенными на их боковой или торцевой поверхности, имеют общую закономерность. Это - немонотонная зависимость измеренных величин от индукции магнитного поля. Наличие локальных максимумов зависимостей ip(B), Int(B) является общей чертой индуктивных ВЧ разрядов низкого давления, однако, положение и количество локальных максимумов ip(B), Int(B) существенно зависит от условий экспериментов. При давлении ЮмТор и выше максимумы, как правило, сглаживаются.

Необходимо отметить, что в ряде случаев при работе с торцевой антенной был зафиксирован гистерезис ip, Int при увеличении и уменьшении магнитного поля. Появление гистерезиса было также обнаружено при изучении зависимостей ip, Int от мощности ВЧ генератора при наложении на индуктивный ВЧ разряд внешнего магнитного поля.

Более подробные зондовые и спектральные измерения, выполненные при давлениях менее ЮмТор в источнике плазмы диаметром и длиной 15см, оснащенном торцевой спиральной антенной, показали, 1ло при изменении величины внешнего магнитного поля В на индуктивный ВЧ разряд наблюдается немонотонное изменение концентрации плазмы. Рассмотрим типичную зависимость концентрации и эффективной температуры электронов от величины внешнего мапнитного поля, полученную при давлении аргона 2мТор и мощности ВЧ генератора 200Вт. В отсутствии магнитного поля значения пе близки к 2.1010см"3. По мере роста магнитного поля в диапазоне 0 - 1.2мТл плотность плазмы монотонно растет и достигает значения 8 3 1010см"3. Затем концентрация электронов начинает убывать и при магнитно/л поле 1,8мТл происходит срыв разряда. Несмотря на значительные изменения плотности плазмы, эффективная температура электронов с магнитным

полем изменяется слабо. В отсутствии магнитного поля эффективная температура электронов близка к4эВ, а при наличии магнитного поля изменяется в диапазоне 5-6эВ.

Одной из причин увеличения концентрации электронов с ростом магнитного поля в чисто индуктивном разряде может быть снижение подвижности электронов поперек магнитного поля, уменьшающее уход электронов на боковые стенки источника плазмы. Однако, уменьшение концентрации электронов с ростом магнитн ого поля, а тем более сры разряда, объяснить снижением подвижности электронов не удается. Очевидно, чт существует как минимум еще один фактор, влияющий на свойства разряда. Таким факторо может быть перераспределение мощности между антенной и плазмой при изменени внешнего магнитного поля. В связи с этим были определены величины ВЧ мощности поглощенные плазмой при различных величинах магнитных полей. Это была сделано экспериментах с чисто индуктивным разрядом на основании измерений тока /, текущег через антенну, при увеличении внешнего магнитного поля. Измерения показали, что поджи разряда приводит к небольшому уменьшению тока текущего через антенну, а дальнейше увеличение магнитного поля приводит к росту разницы между токами, текущими чере антенну при наличии разряда и без него, что свидетельствует о росте эквивалентног сопротивления плазмы и соответственно доли мощности, поглощенной плазмой. Поел срыва разряда значения тока становятся такими же, как и до поджига разряда.

▼ Я=7 5см 1.=10см Аг 0 р=1биТор Ж р=ЗмТор ЧР р=5мТор

< I «г ТХ Ж ▼ ДА д

т Ж Ж

О 20 40 60 80 100 120 140 160 1В0 200

Рп„(Вт)

Рис.2. Зависимость Рпп* Р) от мощности, поглощенной плазмой.

На рис.2 собраны все экспериментальные данные, представленные в виде ависимости ",!{Рп,-р) °т мощности, поглощенной плазмой. Здесь р - давление аргона в азрядной камере. Можно видеть, что при условии, когда в плазму вкладывается мощность, ревышающая 40Вт, все точки в пределах погрешности эксперимента ложатся на прямую, араллельную оси абсцисс. Это означает, что средняя по объему концентрация электронов плазме индуктивного ВЧ разряда пропорциональна вложенной в плазму мощности, а собенности изменения плотности плазмы с изменением магнитного поля связаны с ерераспределением мощности ВЧ генератора между активным эффективным ■опротивлением антенны и эквивалентным сопротивлением плазмы. Рост отношения ), 1(Р,Ъ ■ р) в области малых (<40Вт) мощностей, вложенных в плазму, связан, по-видимому, с аличием емкостной компоненты разряда. Таким образом, приведенные выше данные озволяют сделать вывод, что изменение концентрации зяектронов с ростом магнитного оля объясняются перераспределением ВЧ мощности между двумя активными нагрузками: нтенной и плазмой.

В следующей серии экспериментов изучались свойства индуктивного разряда, озбуждаемого антеннами с различным эффективным сопротивлением. Для этого ффективное сопротивление исходной антенны искусственно повышалось с помощью ополнительного сопротивления. Изменение характеристик разряда при увеличении опротивления антенны дало возможность в прямом эксперименте зафиксировать сужение бласти существования разряда (по магнитному полю) вследствие роста потерь мощности о внешней цепи Наиболее интересные результаты были получены при изучении перехода азряда из Е- в Н- моду при использовании антенн с различным сопротивлением (см. рис.3), ак видно в чисто индуктивном разряде, с ростом потерь мощности во внешней цепи ростом Rani) происходит смещение положения перехода разряда из Е- в Н- моду в область ольших мощностей ВЧ генератора. Кроме того, в случае «высокоомной» антенны в |ереходной области появляется гистерезис Оценки величины мощности, поглощенной лазмой, по значениям тока, текущего через антенну показали, что при наличии гистерезиса ipn одной и той же мощности ВЧ генератора существуют два режима: в первом случае одавляющая часть мощности расходуется в антенне и только малая часть идет на поддержание плазмы, а во втором случае - основная часть мощности выделяется в плазме, то позволяет разряду гореть в моде с высокой концентрацией электронов. Аналогичный результат был получен при введении дополнительной мощности в разряд через канал постоянного тока (ри.с.4).

Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами измерени эквивалентного сопротивления плазмы, его теоретическими значениями и результатам математического моделирования позволяет сделать вывод, что наблюдавшаяся экспериментах немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от величин магнитного поля связана с резонансным характером поглощения ВЧ мощности плазмо вследствие возбуждения связанных между собой геликонов и косых ленгмюровских волн.

Л1 Зк Р«Г>1*1 1 апв-3

.1 /

_____ —- о / /

100 150 200 350 300 350 400 4 50 500 РзепГЛ')

Рис.3. Зависимость интенсивности свечени плазмы от мощности генератора. Результат полученные при увеличении мощное генератора помечены заполненными значкам при уменьшении мощности генератора - полы значками. 2 - случай «высокоомной» антенны.

Рис.4. Зависимость доли мощност поступающей в разряд через индуктивн разряд от мощности ВЧ генерато питающего антенну, при увеличен (квадраты) и уменьшении (круж мощности. 1 - разряд с независим каналом постоянного тока, 2 - чис индуктивный разряд

Выход из области резонанса вследствие нарушения неравенства:

Я2 с2Я Г. «5\

со = __х«Пе (6)

Ь ти

сопровождается резким падением эквивалентного сопротивления, доли мощное поглощенной плазмой и соответственно плотности плазмы. В случае, если мощное поглощаемая плазмой, оказывается недостаточной для поддержания разряда происхо

рыв разряда. В выражении(б) £. - длина источника плазмы, с -скорость света, Д.. ®и> -иклотронная и ленгмюровская частоты.

Результаты математического моделирования, показали, что условиями появления истерезиса являются малость сопротивления плазмы по сравнению с сопротивлением нтенны, а также существование немонотонной зависимости эквивалентного сопротивления лазмы от концентрации электронов. Неудивительно при этом, что рост сопротивления нтенны привел к появлению гистерезиса.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию влияния емкостной оставляющей на свойства индуктивного ВЧ разряда. Для того чтобы разобраться во лиянии емкостной составляющей разряда на зависимость параметров плазмы от агнитного поля, и в частности на срывы разряда, серия описанных в Главе 3 кспериментов с чисто индуктивным разрядом была дополнена экспериментами с разрядом независимыми индуктивным и емкостным каналами и гибридным разрядом.

На рис.5 показаны зависимости тока ионов аргона от магнитного поля, полученные с омощью источника ионов, в котором были реализованы чисто индуктивный разряд, разряд независимыми индуктивным и емкостным каналами и гибридный разряд. Как видно, при словии возбуждения чисто индуктивного разряда последний существует в ограниченной по агнитному полю области, а именно в диапазоне от 0.5 до 1.6мТл. При наличии езависимого емкостного канала разряд поджигается без внешнего магнитного поля, а в бласти срыва чисто индуктивного разряда разряд не гаснет, а переходит в моду, арактерную для чисто емкостного разряда. Область перехода становится тем более лавной, чем выше величина ВЧ мощности, вкладываемой в плазму через емкостной канал, чем выше давление аргона.

Известно, что при низких давлениях емкостной разряд загорается в у-режиме, для оторого характерны формирование квазистационарных приэлектродных скачков отенциала и генерация пучков быстрых электронов, эффективно ионизующих рабочий газ. оявление быстрых электронов в индуктивном разряде с емкостной компонентой приводит к ополнительной ионизации аргона, увеличению плотности плазмы по сравнению с чисто ндуктивным разрядом и наблюдавшемуся росту ионного тока. Изменение плотности лазмы и энергетического распределения электронов приводят к изменению эквивалентного опротивления плазмы, что должно проявляться в изменении доли мощности, поступающей разряд через индуктивный канал. Действительно, измерения показали, что в переходных

областях величины тока, текущего через антенну, отличаются от полученных в чист индуктивном разряде. Это указывает на влияние емкостной составляющей разряда н величину мощности, поступающую в разряд через индуктивный канал.

Существенное влияние емкостной составляющей на свойства индуктивного разряд было зафиксировано при исследовании перехода разряда из моды с низкой плотность плазмы (Е- моды) в моду с высокой плотностью (Н-моду) при увеличении мощности В генератора при постоянном значении магнитного поля. В случае если в разря дополнительно вводится мощность через независимый канал происходит смещени области перехода разряда из моды с никой плотностью плазмы в моду с высок плотностью в область меньших мощностей ВЧ генератора, питающего индуктор, увеличен величины мощности, вкладываемой в разряд через индуктивный канал, а та исчезновение гистерезиса (см. рис.4). Как отмечалось выше, появление емкостного кана ввода мощности, а, следовательно, быстрых электронов в разряде сопровождается рост плотности плазмы. Это приводит к росту эквивалентного сопротивления плазмы исчезновению гистерезиса.

Рис.5. Зависимость тока пучка ионов от величины магнитного поля. 1 кривая - независимый емкостной канал (треугольники вершиной вверх и вниз-мощность ВЧ генератора, питающего емкостной канал, равна 60 и 200Вт соответственно). 2 кривая чисто индуктивный разряд. Зеленые звездочки - гибридный разряд. Источник ионов радиуса 5см и длины 10см, аргон, расход Юэсст.

В(тТл)

В заключение обзора экспериментальных результатов показано, что при рассмотренн условиях экспериментов влияние независимого емкостного канала на интенсивно свечения разряда при его горении в Н-моде мало.

Для того чтобы разобраться в физических причинах обнаруженных закономерносте работе выполнено математическое моделирование индуктивного ВЧ разряда с независи емкостной компонентой. Прежде всего, в диссертации была обобщена ранее разработан на кафедре физической электронике самосогласованная модель ВЧ индуктивного разр

случай разряда с независимой емкостной компоненты. Основное отличие системы авнений, описывающей разряд с емкостной компонентой от системы уравнений баланса )Я индуктивного разряда, кроется в уравнении баланса мощности, фиксирующем венство мощности, вложенной в разряд, сумме потерь. Последние определяются уносом ощности на стенки газоразрядной камеры источника плазмы ионами и электронами, а кже потерями на ионизацию и излучение в объеме источника. При наличии независимого мкостного канала вблизи обкладок конденсатора формируются слои пространственного ряда, в котором происходит падение квазистационарного потенциала Это приводит к величению мощности, выносимой ионами на стенки. Кроме того, в случае индуктивного азряда с независимой емкостной компонентой мощность, поглощаемая плазмой, кладывается из мощности, вложенной через индуктивный Рр"д и емкостной каналы РрГр-

Рис.6. 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). Рсар =500Вт. Кривая 3 - доля мощности, поступающей в разряд через индуктивный канал.

1 См

Результаты математического моделирования разряда с независимой емкостной компонентой, позволили прояснить физические причины эффектов, наблюдавшихся экспериментально.

Расчеты показали (см. рис.6), 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 Р"^ в области высоких значений Р^„ тем сильнее, чем выше .

Физическая причина указанного выше характера влияния емкостного канала на дол мощности, поступающую в плазму через индуктивный канал, состоит в немонотонно зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электронов. Вво дополнительной мощности через независимый канал приводит к увеличению плотност плазмы и изменению эквивалентного сопротивления плазмы. Если результирующа плотность плазмы ниже величины, при которой эквивалентное сопротивление достига максимума, происходит увеличение эквивалентного сопротивления и доли мощност поступающей в плазму через индуктивный канал. Это объясняет наблюдавшее экспериментально смещение положения перехода разряда из моды с никой плотность плазмы в моду с высокой плотностью и исчезновении гистерезиса. Увеличение за сч вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов выше величины, п которой эквивалентное сопротивление достигает максимума, приводит к уменьшени вклада ВЧ мощности в плазму через индуктивный канал. В связи с этим физически оправдано принятое в литературе сопоставление мод индуктивного ВЧ разряда с низкой высокой концентрацией электронов с модами, поддерживаемыми только потенциальными только вихревыми ВЧ полями.

III. Основные результаты и выводы

1. Экспериментально показано, что при наличии потерь мощности во внешней це индуктивного ВЧ разряда при давлениях менее ЮмТор существует немонотонн зависимость концентрации электронов от величины внешнего магнитного поля. П работе с торцевой антенной зафиксированы срывы разряда при достижен критического значения магнитного поля. Показано, что величина критическ магнитного поля зависит от сопротивления антенны (величины потерь мощности внешней цепи), давления и мощности ВЧ генератора.

2. На основании математического моделирования разряда, использующего уравнен баланса ионов, электронов, тяжелых нейтральных частиц, мощности и услов квазинейтральности, показано, что указанные эффекты являются следстви самосогласованного перераспределения мощности между активным сопротивлени внешней цепи и плазмой, связанного с изменением ее способности поглощать мощность. Последняя характеризуется эквивалентным сопротивлением плаз Немонотонный характер изменения эквивалентного сопротивления с увеличен магнитного поля определяется существованием резонансов возбуждения связанных ме-собой геликоноподобной и косой ленгмюровской волн. Выход из условия резона

сопровождается резким понижением эквивалентного сопротивления плазмы, доли мощности, поступающей в плазму. Последнее может приводить к срыву разряда.

Впервые экспериментально показано, что увеличение сопротивления антенны (потерь мощности во внешней цепи) приводит к появлению гистерезиса зависимости интенсивности свечения плазмы, зондового ионного тока насыщения от величины мощности ВЧ генератора. Показано, что в области гистерезиса при одной и той же мощности ВЧ генератора существуют по крайней мере две моды разряда: в моде снизкой концентрацией электронов основная доля мощности выделяется в антенне, а в моде с высокой концентрацией - в плазме. Наложение внешнего магнитного поля (более 1мТл) на индуктивный ВЧ разряд низкого давления способствует появлению гистерезиса зависимости интенсивности свечения плазмы, зондового ионного тока насыщения от величины мощности ВЧ генератора и индукции внешнего магнитного поля. Экспериментальные результаты находятся в качественном согласии с результатами математического моделирования, которые указывают на появление гистерезиса при условиях нелинейной зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электронов и его малости по сравнению с сопротивлением антенны.

Впервые экспериментально исследовано влияние емкостной составляющей на величину ВЧ мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал. Обнаружено, что при наличии независимого емкостного канала ввода мощности происходит изменение доли мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал. Это проявляется в смещении положения перехода разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, в более плавной зависимости параметров плазмы от мощности ВЧ генератора в переходной моде, исчезновении гистерезиса, сглаживании зависимости ионного тока от магнитного поля.

Впервые выполнено математическое моделирование индуктивного ВЧ разряда с независимой емкостной компонентой, которое показало, что наличие дополнительного канала ввода мощности, сопровождающееся к росту 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 является физической причиной наблюдавшегося экспериментально смещения

положения перехода разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высок плотностью, более плавного перехода из моды разряда с низкой плотностью в моду высокой плотностью и исчезновения гистерезиса. Увеличение за счет вклада мощное через емкостной канал концентрации электронов выше величины, при котор эквивалентное сопротивление достигает максимума, приводит к уменьшению вкла ВЧ мощности через индуктивный канал.

Список публикаций по теме диссертации.

1. A.F.AIexandrov, G.E.Bougrov ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, V Plaksin, A.A Rukhadze, K.V. Vavilin. The Inductive Discharge Plasma Parameters Calculation Conditions of External Magnetic Field. Proceedings of the 30-th International (Zvenigor Conference of Plasma Physics and Controlled Fusion. Zvenigorod, Russia, February 24-28, 20 Contributed papers, T3.

2. A.F.AIexandrov, G.E.Bougrov ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, Plaksin, A.A. Rukhadze, К. V. Vavilin. An Absorption of RF Power by Inductive Discharge Plas Placed in External Magnetic Field Experimental Study. Proceedings of the 30-th Internatio (Zvenigorod)Conference of Plasma Physics and Controlled Fusion. Zvenigorod, Russia, Febru 24-28, 2003. Contributed papers, T4.

3. A.F.AIexandrov, G.E.Bougrov ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, Plaksin, A.A. Rukhadze, К. V. Vavilin. Self-consistent model of RF inductive plasma source loca in the external magnetic field. Lomonosov Readings, MSU, Physical Faculty, April 18-25, 20 Annotation, pp. 90-92.

4. A F.AIexandrov, G.E.Bougrov ,I.K. Kerimova, S.K. Kondranin, E.A.Kralkina, V.B. Pavlov, Plaksin, A.A. Rukhadze, K.V. Vavilin. RF discharge at medium and high pressure and possibilities for material surface modification. Ill International Symposium Thermo Chemi Processes in Plasma Aerodynamics. St. Petersburg, Russia, July 2003.

5. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, K.B. Вавилин И.К. Керимова, С.Г. Кондранин.Е.А. Крапьки В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. The Self-Consistent Model of "Helicon" Plas Source. IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Bela September 15-19, 2003. Contributed papers 1.33.

6. А.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, K.B. Вавилин И.К. Керимова, С.Г. Кондранин.Е.А. Кральки В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе. Comparative Analysis of Different Surf Modifications Methods. IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technol Minsk, Belarus, September 15-19, 2003. Contributed papers 4.24.

Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин И.К. Керимова, С.Г. Кондранин.Е.А. Кралькина, Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, A.A. Рухадзе. The efficiency of RF power lead in low pressure scharge. Russian conference of Physical Electronics Mahachkala, Russia, September 23-26, 03. Contributed papers, 95-98.

F. Aleksandrov, G.E. Bugrov, I.F. Kerimova, S.G. Kondranin, V.B. Pavlov, .Yu. Plaksin, A.A.Rukhadze, K.V.Vavilin. Self-consistent model of RF inductive plasma/ion source cated in the external magnetic field. Journal of Russian Laser Research, 2003, v.24, No 4, pp. 1-321.

.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, K.B.Вавилин И.К.Керимова, С.Г.Кондранин, Е.А. Кралькина, ,Б Павлов, В.Ю.Плаксин, А.А.Рухадзе. Самосогласованная модель ВЧ индуктивного сточника плазмы, помещенного во внешнее магнитное поле. Физика плазмы, 2004, том 30, 25, стр 434-449.

.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, В.Б. Павлов, .Ю. Плаксин, А А. Рухадзе. Исследование индуктивного ВЧ разряда, как самосогласованной истемы. I. Особенности, наблюдавшиеся при экспериментальном исследовании ндуктивного ВЧ разряда, помещенного во внешнее магнитное поле. Прикладная физика, 005, №4, стр. 70 - 74.

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

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

.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина, .Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, A.A. Рухадзе. Исследование индуктивного ВЧ разряда, как амосогласованной системы. IV. Результаты исследования эквивалентного сопротивления ндуктивного ВЧ разряда низкого давления без магнитного поля. Прикладная физика, 2006, № 2 стр. 41 - 46.

A.Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кралькина,

B.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, A.A. Рухадзе. Исследование индуктивного ВЧ разряда, как

самосогласованной системы. V. Результаты исследования эквивалентного сопротивлен' индуктивного ВЧ разряда низкого давления при наличии внешнего магнитного по Прикладная физика, 2006, № 4 стр. 54 - 59.

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

16. А. Ф. Александров, Г.Э. Бугров, К.В. Вавилин, И.Ф. Керимова, Е.А. Кральки В.Б. Павлов, В.Ю. Плаксин, А.А. Рухадзе, В.П. Савинов. Исследование индуктивного разряда, как самосогласованной системы. VII. Математическое моделирование индуктивн ВЧ разряда с емкостной компонентой (самосогласованная модель). Прикладная физи

2006, № 5 стр. 39 - 46.

17.Л F. Aleksandrov, I.F. Kerimova, Е.А. Kralkina, V.B. Pavlov, А.А. Rukhad and V.P. Savinov. Influence of the capacitive component on the parameters of the low pressure inductive discarge. V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Min Belarus, September 18-22, 2006. Contributed papers v.1 pp.7 -10

18. A.F. Aleksandrov, I.F. Kerimova, E.A. Kralkina, V.B. Pavlov, A.A. Rukhad and V.P. Savinov. Study of the histeresis of the RF inductive discharge plasma den dependence on the RF generator power. V International Conference Plasma Physics and Plas Technology. Minsk, Belarus, September 18-22, 2006. Contributed papers v.1 pp.70 - 73.

19. A.F. Alexandrov, K.V. Vavilin, I.F. Kerimova, E.A. Kralkina, V.B. Pavl A.A. Rukhadze, V.P. Savinov. The role of the capacitive component in the low pressure inductive discharge. XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases July 15 -

2007, Prague, Czech Republic, 5P09-10.

20. A.F. Alexandrov, К V. Vavilin, I.F. Kerimova, E.A. Kralkina, V.B. Pavl A.A. Rukhadze, V.P. Savinov. One more mechanism leading to the hysteresis of the RF induct discharge transition from low to high density mode. XXVIII International Conference Phenomena in Ionized Gases July 15-20 2007, Prague, Czech Republic, 5P09-11.

21. А.Ф.Александров, К.В.Вавилин, И.Ф.Керимова, Е.А.Кралькина, В.Б.Павлов, Н.Н.Плахотн А.А.Рухадзе, В.П.Савинов. Влияние сопротивления антенны на переход индуктивного разряда из моды с низкой концентрацией электронов в моду с высокой концентраци Тезисы докладов XXXY Международной (Звенигородской) конференции по физике плазм УТС, с.331, 2008.

Подписано к печати И 0%_

Тираж ЗО Заказ 1'6Х

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Ахмедова, Ирада Фаик кызы

Введение.

Глава 1 Обзор литературы.

1.1 Введение.

1.2 Индуктивный ВЧ разряд без магнитного поля.

1.2.1 Проникновение полей в плазму.

1.2.2 Поглощение ВЧ мощности плазмой.

1.3 Индуктивный ВЧ разряд, помещенный во внешнее магнитное поле, способствующее возбуждению геликонов и косых Ленгмюровских

1.4 Понятие эквивалентного сопротивления.

1.5 Баланс мощности во внешней цепи индуктивного ВЧ разряда.

Глава 2 Экспериментальные установки и методика измерений.

2.1 Экспериментельные установки.

2.2 Схемы источников плазмы.

2.3 Способы организации разряда.

2.4 Экспериментальная методика измерений величины

ВЧ мощности, поглощенной плазмой.

2.5 Диагностика плазма.

Глава 3 Особенности индуктивного ВЧ разряда низкого давления, горящего в режиме Rp[<Rant.

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

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

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

3.4 Влияние эффективного сопротивления антенны на свойства индуктивного ВЧ разряда.

3.5 Результаты численного моделирования.

Глава 4 Влияние емкостной составляющей на свойства индуктивного

ВЧ разряда низкого давления.

4.1 Зависимость параметров плазмы от мощности ВЧ генератора.

4.2 Зависимость параметров плазмы от магнитного поля.

4.3 Самосогласованная модель разряда с независимыми индуктивным и емкостным каналами.

4.4 Результаты математического моделирования.

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние емкостной составляющей на характеристики индуктивного ВЧ разряда низкого давления"

Актуальность темы

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию особенностей разряда, возникающих при горении индуктивного ВЧ разряда, обладающего емкостной составляющей, в режимах, при которых существенны потери мощности во внешней цепи разряда, а также математическому моделированию поведения разряда. В связи с этим тема диссертационной работы представляется актуальной. Целью работы является:

• экспериментальное исследование особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, при которых существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепью разряда;

• математическое моделирование особенностей режимов горения индуктивного ВЧ разряда, при которых существенно перераспределение мощности между плазмой и внешней цепью разряда;

• изучение влияния емкостной составляющей индуктивного разряда на ввод мощности через индуктивный канал и режимы горения такого ВЧ разряда.

• обобщение самосогласованной модели индуктивного ВЧ разряда низкого давления на случай индуктивного ВЧ разряда с независимым емкостным каналом;

• математическое моделирование режимов горения индуктивного ВЧ разряда, обладающего независимой емкостной компонентой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Экспериментально изучены режимы горения индуктивного ВЧ разряда низкого давления, при которых существенны потери мощности во внешней цепи разряда. Показано, что при изменении мощности ВЧ генератора или величины внешнего магнитного поля происходит перераспределение мощности между плазмой и активным сопротивлением внешней цепи, проявляющееся в насыщении плотности плазмы при увеличении мощности ВЧ генератора, немонотонном характере изменении параметров плазмы при изменении внешнего магнитного поля, гистерезисе концентрации и эффективной температуры электронов при увеличении и уменьшении величин мощности ВЧ генератора и индукции внешнего магнитного поля. Показано, что особенности перераспределения мощности при изменешш внешних параметров разряда связаны с изменением способности плазмы поглощать ВЧ мощность, которая немонотонно зависит от плотности плазмы и величины внешнего магнитного поля. Установлено, что физическая причина вышеуказанного при отсутствии магнитного поля состоит в резком сужении области проникновения ВЧ полей в плазму при высокой концентрации электронов. При наличии внешнего магнитного поля немонотонность связана с существованием резонансов возбуждения связанных между собой геликонов и косых Ленгмюровских волн. Экспериментально исследовано влияние емкостной составляющей на параметры ВЧ индуктивного разряда. Показано, что наличие емкостного канала приводит к изменению доли мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал. Это, в свою очередь, приводит к изменению условий перехода индуктивного разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, сглаживанию немонотонной зависимости плотности плазмы от величины внешнего магнитного поля и исчезновению гистерезиса. в Обобщена самосогласованная модель ВЧ индуктивного разряда на случай разряда с независимой емкостной компонентой. Выполнено математическое моделирование поведения разряда в широком диапазоне параметров разряда и величин мощности, подводимых к плазме через индуктивный и емкостной каналы. Выявлены закономерности влияния емкостной составляющей на долю мощности, поступающую в плазму через индуктивный канал. Показано, что они определяется связью эквивалентного сопротивления плазмы с параметрами плазмы (плотностью и эффективной температурой электронов, частотой столкновений электронов с нейтралами) и величиной внешнего магнитного поля.

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 достоверными.

Практическая ценность работы

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

1. Тезисы докладов XXX международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС., Россия, февраль 24-28,2003.

2. Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, апрель 18-25,2003

3. Ш Международный симпозиум 'Термохимические процессы в аэродинамике плазмы". Петербург, Россия, июль 2003.

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

5. Российская конференция по Физической электронике, Махачкала, Россия, сентябрь 23-26,2003.

6. V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, September 18-22,2006.

7. XXVUI International Conference on Phenomena in Ionized Gases July 15 -20 2007, Prague, Czech Republic

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях и 12 тезисах, список которых приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации.

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты и выводы

1. Экспериментально показано, что при наличии потерь мощности во внешней цепи индуктивного ВЧ разряда при давлениях менее ЮмТор существует немонотонная зависимость концентрации электронов от величины внешнего магнитного поля. При работе с торцевой антенной зафиксированы срывы разряда при достижении критического значения магнитного поля. Показано, что величина критического магнитного поля зависит от сопротивления антенны (величины потерь мощности во внешней цепи), давления и мощности ВЧ генератора.

2. На основании математического моделирования разряда, использующего уравнения баланса ионов, электронов, тяжелых нейтральных частиц, мощности и условие квазинейтральности, показано, что указанные эффекты являются следствием самосогласованного перераспределения мощности между активным сопротивлением внешней цепи и плазмой, связанного с изменением ее способности поглощать ВЧ мощность. Последняя характеризуется эквивалентным сопротивлением плазмы. Немонотонный характер изменения эквивалентного сопротивления с увеличением магнитного поля определяется существованием резонансов возбуждения связанных между собой геликоноподобной и косой ленгмюровской волн. Выход из условия резонанса сопровождается резким понижением эквивалентного сопротивления плазмы, доли мощности, поступающей в плазму. Последнее может приводить к срыву разряда.

3. Впервые экспериментально показано, что увеличение сопротивления антенны (потерь мощности во внешней цепи) приводит к появлению гистерезиса зависимости интенсивности свечения плазмы, зондового ионного тока насыщения от величины мощности ВЧ генератора. Показано, что в области гистерезиса при одной и той же мощности ВЧ генератора существуют по крайней мере две моды разряда: в моде снизкой концентрацией электронов основная доля мощности выделяется в антенне, а в моде с высокой концентрацией - в плазме. Наложение внешнего магнитного поля (более 1мТл) на индуктивный ВЧ разряд низкого давления способствует появлению гистерезиса зависимости интенсивности свечения плазмы, зондового ионного тока насыщения от величины мощности ВЧ генератора и индукции внешнего магнитного поля. Экспериментальные результаты находятся в качественном согласии с результатами математического моделирования, которые указывают на появление гистерезиса при условиях нелинейной зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электронов и его малости по сравнению с сопротивлением антенны.

4. Впервые экспериментально исследовано влияние емкостной составляющей на величину ВЧ мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал. Обнаружено, что при наличии независимого емкостного канала ввода мощности происходит изменение доли мощности, поступающей в плазму через индуктивный канал. Это проявляется в смещении положения перехода разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, в более плавной зависимости параметров плазмы от мощности ВЧ генератора в переходной моде, исчезновении гистерезиса, сглаживании зависимости ионного тока от магнитного поля.

5. Впервые выполнено математическое моделирование индуктивного ВЧ разряда с независимой емкостной компонентой, которое показало, что наличие дополнительного канала ввода мощности, сопровождающееся к росту 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 является физической причиной наблюдавшегося экспериментально смещения положения перехода разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавного перехода из моды разряда с низкой плотностью в моду с высокой плотностью и исчезновения 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.

И наконец, считаю своим приятным долгом выразить огромную благодарность Кралькиной Е.А., Александрову А.Ф за большую помощь в выполнении данной работы; Рухадзе А.А. за многочисленные обсуждения результатов работы, Вавилину К.В.,Павлову В.Б., Плаксину В.Ю. за большую помощь в проведении расчетов и экспериментов, всему коллективу кафедры физической электроники, за постоянную поддержку. Отдельно хочу поблагодарить своих родителей, мужа Ахмедова Р.Р, братика и Касимовых Эмина и Нигяр за то, что они верили в меня и всегда поддерживали.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ахмедова, Ирада Фаик кызы, Москва

1. Piejak R.B., Godyak V.A., and Alexandrovich B.M., Plasma Sources. Sci.Technol.,l,p.l79, (1992).

2. Godyak V.A., Piejak R.B., and Alexandrovich B.M., Plasma Sources. Sci.Technol,3,pp.l69-176. (1994).

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

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

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

6. Godyak V.A. Plasma Phenomena in Inductive Discharges, Invited talk, 30th EPS

7. Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St.Petersburg, July 7-11, 2003.

8. Chen F.F., Helicon Plasma Sources, in High Density Plasma Sources, edited by Oleg1. A.Popov, pp. 1 -75, 1996.

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

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

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

12. Godyak V.A., Kolobov V.I., Physical Review Letters 81, 2 pp. 369 372, (1998).

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

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

15. Lee C. and Lieberman M. A., Vac.Sci. Tech., 13, 368-80, (1995). lS.Shamrai K.P. and Taranov V.B. Plasma Phys. Control. Fusion, 36, 1719, (1994). 19.Lister G G and Cox M 1992 Plasma Sources Sci. Technol. 1 67-73

16. Lieberman M A and Gottscho R A 1994 Physics of Thin Films vol 18, ed M Francombe and J Vossen (New York: Academic)

17. Александров А.Ф., Воробьев Н.Ф., Кралькина E.A., Обухов В.А., Рухадзе А.А., ЖТФ 64, №11, стр. 53-58 (1994)

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

19. Chen F.F., Breun R.A., Gross S., Hershkowitz N., Hsien M.J. and Jacobs J., Plasma

20. Sources Sci. Tech., 4, p.337 (1996)

21. Eckert, H.U., J. Appl. Phys., 41, 1520 (1970).

22. Mensing, A.E. and Boedeker, L.R., Theoretical investigations of R.F., induction heated plasmas", NASA CR-1312 (1969).

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

24. Демирхонов P. А., Кадыш И. Я., Ходырев Ю.С. ЖТФ, 19, стр.791 (1964)

25. Mak-Kitton К.А. Philos. Mag. V.8 (1929), р.605

26. Кондратенко А.Н., Проникновение поля в плазму, Москва, Атомиздат (1979)

27. Bleven Н.А., Christiansen P.J. and Devies В.J., Phys. Rev. Lett. A,28, p.230 (1968)

28. J. Devies B.J and Christiansen P.J. Plasma Phys., ll,p.987 (1969).

29. Lieberman M A and Lichtenberg A J 2005 Principles of Plasma Discharges and Material Processing (New York: Wiley)

30. Keller J H 1996 Plasma Sources Sci. Technol. 5 166

31. Lieberman M A and Godyak V A 1997 IEEE Trans. Plasma Sci. UCB/ERL M97/651997)

32. Kortshagen U, Gibson N D and Lawler J E 1996 J. Phys. D; Appl. Phys. 29 1224-36 36.Suzuki K, Nakamura K, Ohkubo H and Sugai H 1998 Plasma Sources Sci. Technol.713.20

33. El-Fayoumi IM, Jones IR and Turner M M 1998 J. Phys. D: Appl. Phys. 31 308

34. Turner M M and Lieberman M A 1999 Plasma Sources Sci. Technol 8 313

35. El-Fay oumi IM and Jones I R 1998 Plasma Sources Sci. Technol. 7 179-85

36. Lieberman L A and Boswell R W 1998 J. Physique IV 8 145

37. El-Fayoumi IM and Jones T R 1997 Plasma Sources Sci. Technol 6 201-11

38. Ellingboe A R and Boswell R W 1995 Phys. Plasmas 2, p. 1807

39. Piejak R, Godyak V and Alexandrovich В 1997 J. Appl. Phys. 81 3416

40. Booth J P, Cunge G, Sadeghi N and Boswell R W 1997 J. Appl. Phys. 82 552

41. Smith H B, Charles С and Boswell R W 1997 J. Appl. Phys. 82 561

42. Goss J P, Cunge G, Crowley B, Vender D and Turner M M 1998 Europhysics Conf. Abstracts ESCAMPIG1998 (Malahide) (European Physical Society) p 220

43. Brown S 1994 Basic Data in Plasma Physics (New York: AIP)

44. Crowley B, Cunge G and Vender D 1998 Europhysics Conf. Abstracts ESCAMPIG 1998 (Malahide) (European Physical Society) p 196 586

45. HopwoodJPlasma Sources Sci., Tech. 1, 109-116,(1992).

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

47. Turner M.M., "Collisionless electron heating in an inductively coupled discharge", Phys. Rev. Lett, 71, p. 1844, (1993).

48. Kolobov V.I., Economon D.J. The anomalous skin effect in gas discharge plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. -1997, v.6 pp R1-R17

49. Chen F.F. Collisional, magnetic, and nonlinear skin effect in RF plasma // Phys. Plasmas -2001, v. 8, pp.3008-3017

50. Вавилин K.B., Плаксин В.Ю., Ри M.X., Рухадзе А.А. Радиочастотные источники плазмы малой мощности для технологических приложений. II. Источники плазмы в условиях аномального скин-эффекта. // ЖТФ-2004, т.74, с.25-28

51. Вавилин КВ., Плаксин В.Ю., Ри М.Х., Рухадзе А.А. Радиочастотные индуктивные источники плазмы малой мощности для технологических приложений // Физика плазмы -2004, т.30, №8 с.739-749

52. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд. Физика. Техника эксперимента. Приложения.-М: Наука, 1995

53. Chen F.F., Plasma Phys. Contr. Fusion 1991, v.33, pp.339-364

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

55. Blackwell D.D and Chen F.F., Bull. Amer. Phys. Soc., 40, pl771

56. Chen F.F. and Arnush D. Physics of Plasma 4(9), September (1997)

57. Chen F.F. and Arnush D. Physics of Plasma, 5,5, 1239-1254, 1998

58. Lehane J.A., Thonemann P.C. An experimental study of helicon waves propagation in a gaseous plasma // Proc. Phys. Soc. 1965, v 85, pp. 301-316

59. Boswell R.W., Chen F.F. Helicons, the early years // IEEE Trans. Plasma Sci. -1997, v.25, pp. 1229-1244

60. Chen F.F., Boswell R.W., Helicons, the past decade // IEEE Trans. Plasma Sci. -1997, v.25, pp. 1245-1257

61. Blackwell D.D., Madziva T.G., Arnush D., Chen F.F. Evidence for Trivelpiece -Gould modes in helicon discharge // Phys. Rev. Lett.- 2002, v. 88, n. 14

62. Amush D. The role of Trivelpiece Gould waves in antenna coupling to helicon waves // Phys. Plasmas - 2000, v. 7, pp.3042-3040

63. Miljak D.G., Chen F.F. Density limit in helicon discharges // plasma sources Sci. Technol. 1998, v.7, pp. 537 -549.

64. Chen F.F., Blackwell D.D. Upper limit to Landau damping in helicon discharges // Phys. Rev. Lett. 1999, v.82, pp2677 -2680

65. Blackwell D.D. and Chen F.F. Time resolved measurements of the EEDF in a helicon plasma // Plasma Sources Sci. TEchnol. - 2001, v. 10, pp226 - 235

66. Chen F.F. The low field density peak in helicon discharge // Phys. Plasma - 2003,v.10, pp.2586-2592

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

68. Kinder R.L., Kushner M.J. Noncollisional heating and electron energy distributions in magnetically enhanced inductively coupled and helicon plasma sources // J. Appl. Phys. 2001, v.90, pp.3699 - 3712

69. Kinder R.L., Kushner M.J. Wave propagation and power deposition in magneticallyenhanced inductively coupled and helicon plasma sources // J.Vac.Sci.Technol. A -2001, v. 19, pp.76 86

70. Eckert H.U. Proc. 2nd Ann. Int. Conf. On Plasma Chemistry and Technology ed H1. Boenig (Technomic), 1986.

71. Gudmindsson J.T. and Lieberman M. A., Plasma Sources Sci. Technol., 6, pp.540-550,(1997).

72. Chen F.F., Plasma Phys. Contr. Fusion, 39, 4, p.1533, (1997).

73. HittorfW. Ann. Phys. Chem., 21 90-139, (1884).

74. Valiedi V, Lieberman M A, Dipeso G, Rognlien T D and Hewett D 1995 J. Appl Phys. 78 1446-5

75. Babat, G.I., J. Inst. Elec. Eng., London, 94, 27 (1947).

76. Reed, T.B., J. Appl. Phys., 32, 821 (1961).

77. Eckert, H.U., High Temperature Science, 6, 99 (1974).

78. Pool, J.W., Freeman, M.P. Doak, K.W. and M.L. Thorpe, "Simulator tests to study hot— flow problems related to a gas core reactor". NASA CR-2309 (1973).

79. T. Antonova, G. Bougrov, A. Bougrova ct al. Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 37, (1998), pp 6906-6915.

80. Александров А.Ф., Бугров Г.Э., Вавилин К.В.п др. Прикладная физика; 2005, № 4, стр. 70 74; 2005, № 5, стр. 72 - 78; 2006, № 1 стр. 36 - 42; 2006, № 2 стр. 41-46; 2006, № 4 стр. 54 - 59; 2006, № 5 стр. 33 - 38; 2006, № 5 стр. 39-46.

81. Александров А.Ф., Бугров Г.Э., Вавилин К.В.и др. Физика плазмы, 30, №5, стр 434, 2004

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

83. A.Ф.Александров, Г.Э.Бугров, К.В.Вавилин, И.Ф.Керимова, 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, 30.5

84. Chen F.F., Jiang J., Evans J.D., Tynan G. and Arnush D., Plasma Phys. Control Fusion, 39, A 411, 1997

85. Ф.Чен. Диагностика плазмы (редакция Р. Хаддлстоуна и С.Леонарда. Мир, М., 1967)

86. L. Shott. Electrical probe. Plasma diagnostics. Edited by W.Lochte-Holtgreven, New York, 1995, p. 668-731.

87. А.Н.Тихонов, В.Я. Арсенин Методы решения некорректных задач. Москва, Наука, 1974,223с

88. JI.M. Волкова., A.M. Девятов, А.С.Меченов, Н.Н.Седов, A.M. Шириф Вестник МГУ, сер. Физика, астр,1975,N3, 371-374.

89. S.Kondranin, Е.А. Kralkina, T.B.Antonova, G.E.Bugrov, N.F.Vorobjev, Won-KookChoi,Hyung Jin Jung, Seon-ICeun ICoh. J of Korean Physical Society v32, N2, (1998),p.l95-199.

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

91. Вавилин K.B., Плаксин В.Ю., Ри M.X., Рухадзе А.А. ЖТФ, 74, №5, 44-49, (2004).

92. Thawnsend J.S.,Donaldson R.H. Philos. Mag.v5 (1928), p.178; v.7(1929), p.600.

93. Woods L.C., J. Fluid Mech,13, p.570 (1962)

94. Woods L.C., J. Fluid Mech.,18, p.401 (1964).

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

96. Boswell R.W., and Porteus R.K., Appl. Phys. Let., 50, 1130 (1987)

97. Boswell R.W., and Porteus R.K., Appl. Phys. Let., 62, 3123 (1987)

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

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

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

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

102. Shoji Т., Mieno T. and K. Kadota K., Proc. Int. Sem. Reactive Plasmas, Nagoya, Japan, p.337, (1991).

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

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

105. 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).

106. 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 XXIII1.ternation Conference on Phenomena in Ionized Gases, 17-22 July 1997, Toulouse France.

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

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

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

110. Shamrai K.P., VirkoV.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.

111. Список публикаций по теме диссертации