Высокочастотный индукционный разряд в неоднородном

УДК 537.525
А.В. Арсенин1, В.Г. Лейман1, А.Е. Наумушкин1, В.П. Тараканов2,1
1
Московский физико-технический институт (государственный университет)
2
Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ РАЗРЯД В НЕОДНОРОДНОМ
МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Источники плазмы на основе высокочастотного (ВЧ) индукционного разряда в
магнитном поле считаются одними из наиболее перспективных для современных плазменных технологий. Они характеризуются высокой плотностью плазмы (вплоть до
1013 см–3) при рабочих давлениях ~ 10–3 Торр [1].
Одним из наиболее важных критериев приложения источников плазмы в технологии является эффективность поглощения плазмой ВЧ поля, создаваемого питающей
антенной. Нагрев электронов плазмы в ВЧ индукционном разряде связан с поглощением ими энергии внешнего ВЧ поля и ее преобразованием в энергию хаотического движения электронов. В настоящее время в ВЧ разрядах обычно выделяют два вида механизмов поглощения энергии внешнего поля – столкновительный (омический) и бесстолкновительный. В обычном индукционном разряде (при давлениях ~ 10–3 Торр, т.е.
когда частота столкновений νe много меньше ω – частоты ВЧ поля) бесстолкновительный нагрев электронов плазмы обусловлен черенковским поглощением ВЧ поля в
плазме [2]. При таких же давлениях ВЧ индукционный разряд, помещенный в магнитное поле, характеризуется более высокой плотностью плазмы по сравнению с разрядом
без магнитного поля. Типичным примером может служить геликонный разряд, представляющий собой разновидность ВЧ индукционного разряда, усиленного, обычно, относительно слабым магнитным полем (50 – 200 Гс), высокая эффективность разряда
основана на возбуждении в плазме волн геликонного типа, которые являются источником возбуждения сильно затухающих низкочастотных потенциальных волн. Использование неоднородного магнитного поля позволяет снизить давление газа при сохранении
плотности плазмы, а также осуществлять динамическое управление параметрами разряда. В настоящей работе представлены основные схемы источников плазмы на основе
ВЧ индукционного разряда с неоднородным магнитным полем. Основное внимание
уделено ВЧ индукционному разряду с нейтральным контуром (контуром нулевого магнитного поля или X-линией) – Neutral Loop Discharge [3]. В работе методом численного
моделирования исследованы бесстолкновительные механизмы диссипации энергии ВЧ
поля в плазме этого разряда, реализующегося в сложной конфигурации неоднородного
магнитного поля, которая сочетает в себе наличие локальной области с нулевым магнитным полем и области, для которой выполняется условие электронно-циклотронного
резонанса (ЭЦР) на частоте ВЧ поля антенны. Модель, используемая для численных
расчетов, подробно представлена в работах [4, 5]. Расчеты выполнены на основе 2D кода KARAT [6].
Результаты проведенного моделирования показывают, что в условиях, когда отношение ν e / ω << 1 , а плотность плазмы такова, что можно пренебречь кулоновскими
столкновениями, ВЧ индукционный разряд с нейтральным контуром переходит в режим, который характеризуется смещением максимума по температуре относительно
нейтрального контура. При этом положение максимума совпадает с областью, в которой выполняется условие ЭЦР на частоте внешнего ВЧ поля. На рис. 1 представлены
зависимости температуры электронов Te от расстояния от оси разрядной камеры в
плоскости нейтрального контура для различных частот ВЧ поля: 27, 40, 48 и 54 МГц.
Положение максимума Te на этих распределениях для частот 40, 48 и 54 МГц совпадает
с областью, в которой находятся точки, удовлетворяющие условию электронноциклотронного резонанса на частоте внешнего ВЧ поля, т.е. областью локального электронно-циклотронного резонанса. Совпадение положения максимума по температуре с
областью локального электронно-циклотронного резонанса позволило предположить,
что в этой области реализуется ЭЦР-нагрев. Для частоты 27 МГц и давления 6.6 мТорр
отношение ν e / ω ~ 1 и поэтому зависимость Te(r) не имеет максимума в области, где
выполняется условие ЭЦР. Экспериментальное подтверждение результатов, полученных методом численного моделирования, можно найти в работе [7]. Возможность реализации ЭЦР нагрева для ВЧ диапазона подтверждена экспериментально в недавних
работах [8, 9]. Кроме того, эти результаты хорошо согласуются с теоретической работой [2], где отмечена неожиданно высокая эффективность источников плазмы на основе ВЧ индукционного разряда в слабых магнитных полях, удовлетворяющих условию
ЭЦР на частоте внешнего ВЧ поля.
9
8
T e , эВ
7
6
1
2
3
4
5
8 7 6
4
3
8
9
5
10
11
12
r, см
Рис. 1. Радиальные распределения температуры электронов для различных комбинаций
частот и давлений, полученные методом численного моделирования. 1 – ω = 27 МГц,
P = 6.6 мТорр; 2 – ω = 40 МГц, P = 3.3 мТорр; 3 – ω = 48 МГц, P = 3.3 мТорр;
ω = 54 МГц, P = 3.3 мТорр. Цифрами 5, 6, 7 и 8 отмечены радиусы, на которых выполняется условие ЭЦР (5 – 27 МГц, 6 – 40 МГц, 7 – 48 МГц и 8 – 54 МГц). Радиус нейтрального контура: rNL = 11 см.
Таким образом, наблюдаемое увеличение температуры электронов в ВЧ индукционном разряде с нейтральным контуром в области выполнения условия электронноциклотронного резонанса доказывает существование локального электронноциклотронного нагрева.
Работа поддержана РФФИ (грант № 05-01-00790) и Федеральным агентством по
образованию РФ.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
High Density Plasma Sources. Ed. Popov O.A. — Park Ridge, NJ, Noyes Publications,
1995.
Вавилин К.В., Плаксин В.Ю., Ри М.Х., Рухадзе А.А. // ЖТФ. 2004. Т. 74. В. 6. С. 25.
Tsuboi H., Itoh M., Tanabe M. et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 1995. V. 34. № 5A. P. 2476.
Арсенин А.В., Лейман В.Г., Тараканов В.П. // Кр. сообщ. по физике ФИАН. 2003.
№ 4. С. 19.
Арсенин А.В., Лейман В.Г., Тараканов В.П. // Радиотехника и электроника (в печати).
Tarakanov V.P. User’s Manual for Code KARAT. Springfield, VA: Berkley Research
Associate Inc, 1992.
Chen W., Sugita K., Morikawa Y. et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2001. V. 19. № 6.
P. 2936.
Chung C.W., Kim S.S., Chang H.Y. // Phys. Rev. E. 2004. V. 69. № 1. P. 016406.
Godyak V.A., Alexandrovich B.M. // Physics of Plasmas. 2004. V. 11. № 7. P. 3553.