Моделирование высокочастотных индуктивных источников плазмы малой мощности

• Автор: Вавилин, Константин Викторович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы
1.1. Схема устройств, работающих на индуктивном ВЧ разряде
1.1.1.Устройства, работающие на индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля
1.1.2. Устройства, работающие на индуктивном ВЧ разряде, помещенном во внешнее магнитное поле
1.2. Индуктивный ВЧ разряд без внешнего магнитного поля
1.2.1. Проникновение ВЧ полей в плазму
1.2.2. Поглощение ВЧ мощности плазмой
1.2.3. Моделирование индуктивного ВЧ разряда без магнитного поля
1.3. Индуктивный ВЧ разряд в магнитном поле, близком к электронному циклотронному резонансу
1.3.1. Проникновение полей в плазму и исследование поглощения
1.4. Индуктивный ВЧ разряд в магнитном поле, способствующем возбуждению геликонов волн Трайвелписа-Голда
1.4.1. Проникновение ВЧ полей в плазму и анализ механизма поглощения ВЧ мощности
Глава 2. Несамосогласованная модель ВЧ источников плазмы
2.1. Понятие эквивалентного сопротивления
2.2. Несамосогласованная модель ВЧ источников плазмы без внешнего магнитного поля
2.2.1. Типичная конструкция ВЧ источников плазмы
2.2.2. Типичные параметры плазмы
2.2.3. Источники плазмы без магнитного поля, возбуждаемые верхней спиральной антенной
2.2.3.1. Результаты численных расчетов
2.2.4. Источник плазмы без магнитного поля, возбуждаемый боковой спиральной
антенной
2.3. Несамосогласованная модель ВЧ источников плазмы с внешним магнитным полем
2.3.1. Циклотронный источник плазмы
2.3.1.1. Результаты численных расчетов
2.3.2. Геликонные источники плазмы
2.3.2.1. Геликонное приближение
2.3.2.2. “Точное” решение
2.3.2.3. Результаты численных расчетов
Выводы
2.4. Сравнение эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного разряда
при различных значениях индукции внешнего магнитного поля
Глава 3. Самосогласованная модель индуктивного ВЧ источника плазмы низкого давления
3.1. Простая физическая модель индуктивного ВЧ разряда низкого давления
3.2. Результаты расчетов параметров плазмы с помощью простой физической модели индуктивного ВЧ разряда
3.3.Формулировка самосогласовнной модели разряда в индуктивном ВЧ источнике ионов
Глава 4. Математическое моделирование работы источников ионов с целью их оптимизации
4.1. Параметры, влияющие на эффективность работы источника ионов, и методика расчетов
4.2. Результаты расчетов
Выводы
Благодарности
Список литературы
Список публикаций по теме диссертации

ф Введение
Актуальность темы.
Одним из важнейших вопросов организации плазменного технологического процесса является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, оптимальными для данного технологического процесса, например, высокой однородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, концентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболее перспективными для применения в промышленных технологиях являются индуктивные ВЧ источники плазмы, так как они позволяют получать высокие концентрации электронов при относительно невысоком уровне ВЧ мощности, обрабатывать не только проводящие, но и диэлектрические материалы, использовать в качестве рабочих химически активные газы. В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников плазмы -традиционные индуктивные источники плазмы без магнитного поля, где разряд возбуждается спиральной антенной, а также источники плазмы, усиленные магнитным полем. Это источники, основанные на электронном циклотронном резонансе и возбуждении геликонов и волн Трайвелписа-Голда. Очевидно, что развитие ионнопучковых и плазменных технологий неизбежно приводит к повышению требований к возможностям и параметрам источников ионов и плазмы, дает новый толчок к переосмыслению концепций и усовершенствованию устройств. Такая работа может бьггь выполнена только на основе детального понимания физических процессов, происходящих в индуктивном ВЧ разряде при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля.
Одной из центральных задач физики источников плазмы является исследование механизмов поглощения ВЧ мощности. Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За эти годы накоплен огромный экспериментальный материал, посвященный исследованию свойств разряда, построен ряд теоретических моделей, проясняющих механизмы поглощения ВЧ мощности. Однако, вопрос о механизмах поглощения мощности индуктивным ВЧ разрядом при низких давлениях, особенно при наличии магнитных полей, соответствующих условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда, исследован далеко не полностью. Отсутствует последовательная аналитическая модель ограниченного индуктивного источника плазмы малой мощности, которая позволяла бы проанализировать механизмы и эффективность поглощения ВЧ ч мощности в широком диапазоне условий существования плазмы, а также прояснить
влияние внешней цепи на параметры плазмы как при отсутствии, так и при наличии магнитного поля. В последние годы появились работы, показывающие, что большинство экспериментальных работ содержит систематическую ошибку, связанную с некорректным

учетом роли ВЧ антенны в работе источника и не учетом потерь ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы. В связи с этим закономерен интерес к изучению эффектов, связанных с вводом мощности в плазму индуктивного разряда, а также с перераспределением мощности ВЧ генератора между активными сопротивлениями внешней цепи и плазмы.
Диссертация посвящена моделированию ВЧ индуктивных источников плазмы малой мощности. Особое внимание в работе уделено анализу механизмов поглощения ВЧ мощности как в источниках плазмы без магнитного поля, так и в источниках, усиленных магнитным полем, анализу эффективности вложения мощности при различных условиях поддержания плазмы. В диссертации построена как несамосогласованная модель источника с заданными параметрами плазмы, так и самосогласованная модель разряда, учитывающая затраты мощности на ионизацию газа и потери мощности во внешней цепи. Из всего сказанного следует, что тема диссертационной работы представляется актуальной.
Цель работы.
Основные задачи диссертационной работы:
1. Разработка несамосогласованной модели индуктивного ВЧ источника малой
мощности с внешней антенной без магнитного поля, основанной на кинетическом описании плазмы с заданными характеристиками. Моделирование поглощения ВЧ мощности плазмой источника. Анализ механизмов и эффективности ввода ВЧ мощности в плазму при изменении плотности плазмы, давления нейтрального газа и геометрических размеров источников.
2. Разработка несамосогласованной модели индуктивного ВЧ источника малой
мощности с внешней антенной при наличии магнитного поля, соответствующего электронному циклотронному резонансу, основанной на кинетическом описании плазмы с заданными параметрами. Моделирование поглощения ВЧ мощности плазмой источника. Анализ механизмов и эффективности ввода ВЧ мощности в плазму при изменении плотности плазмы, давления нейтрального газа и геометрических размеров источников.
3. Разработка несамосогласованной модели индуктивного ВЧ источника малой
мощности с внешней антенной при магнитном поле, соответствующем условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда, основанной на
гидродинамическом описании плазмы с заданными параметрами. Моделирование поглощения ВЧ мощности плазмой источника. Анализ механизмов и
Глава 2. Несамосогласованная модель ВЧ источников плазмы.

е^~і(оВЛ2) = °
(2.15)
При условии сильного скин-эффекта, то есть когда глубина скин-слоя много меньше высоты плазменного цилиндра I, справедливо неравенство Ь>с/(ои. Если, к тому же, выполняется неравенство ти » <л, то плазму можно считать полуограниченной вдоль оси г, т.е. Ь —> а>.
В модели зеркального отражения электронов от поверхности при г
поперечная диэлектрическая проницаемость изотропной электронной плазмы. С учетом столкновений выражение для поперечной диэлектрической проницаемости принимает вид:
т.е. в области слабой пространтсвенной дисперсии, выражение для диэлектрической проницаемости упрощается:
Оценим область параметров плазмы, где справедливо выражение (2.19). Первое неравенство в (2.18) удовлетворяется при давлениях менее ЮмТор. Скорость движения электронов слабо зависит от температуры электронов и в широком диапазоне энергий имеет порядок 108см/сек. Тогда, для того чтобы выполнялось второе неравенство (2.18), необходимо, чтобы а>и «2 ПО10 сек'1, то есть слабая пространственная дисперсия существует при пе <<10псм'3.

(2.16)
где £‘г (і — г' ,(й) - функция влияния, Фурье-образ которой е,г(юД)= |а!г-ё'г(г,с>)е ** есть
(2.17)

где J+ (х) = хехП 12ск.
В случае, когда выполняются неравенства
уе«ш, (аиТ‘-«(а,
(2.18)
(2.19)