CC BY
14
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2010. № 1
43
РАДИОФИЗИКА, ЭЛЕКТРОНИКА, АКУСТИКА
Влияние индуктивного канала на параметры приэлектродных слоев пространственного заряда в гибридном ВЧ разряде
А. Ф. Александров, К. В. Вавилин, Е.А. Кралькинаа, В. Б. Павлов, В. П. Савинов6,
В. Г. Якунин
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физической электроники. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
E-mail: а [email protected], ь [email protected]
Статья поступила 17.09.2009, подписана в печать 18.10.2009
Экспериментально изучаются физические свойства новой модификации ВЧ разряда — гибридного ВЧ разряда (ГВЧР), поддерживаемого как вихревым, так и потенциальным ВЧ электрическими полями, создаваемыми индуктивным и емкостным каналами разряда. Исследовано влияние индуктивного канала на параметры приэлектродных слоев пространственного заряда, определяющих емкостную составляющую физического механизма ГВЧР.
Ключевые слова: ВЧ разряд, гибридный ВЧ разряд, индуктивный и емкостный каналы разряда, приэлек-тродные слои пространственного заряда.
УДК: 537.721. PACS: 52.50.-b, 52.80.Pi, 52.80.-s.
Введение
Гибридный ВЧ разряд представляет собой новую модификацию ВЧ разряда, поддерживаемого как вихревыми, так и потенциальными ВЧ электрическими полями. Изучение физических свойств ГВЧР требует детального исследования взаимного влияния физических процессов, происходящих под действием электрических полей, поддерживаемых индуктивным и емкостным каналами разряда.
Основными индикаторами влияния емкостной составляющей на механизм поддержания ГВЧР являются параметры приэлектродных слоев пространственного заряда (ПСПЗ), а именно приэлектродный квазистационарный скачок потенциала Ц и толщина приэлектрод-ного слоя с!ц. Как известно [1], величина £4 определяет параметры приэлектродных электронных пучков, формирующих электронный энергетический спектр плазмы, обогащенный частицами высоких энергий. Наличие быстрых электронов в разряде приводит к увеличению характерных частот столкновений, а следовательно, к изменению закономерностей проникновения вихревых полей в плазму [2]. Известно [2], что для плазмы, поддерживаемой вихревыми ВЧ полями, характерны более высокие значения плотности, чем в случае чисто емкостного возбуждения разряда (ЕВЧР). Это в свою очередь приводит к изменению параметров (ПСПЗ).
Цель настоящей работы состоит в экспериментальном исследовании влияния индуктивного канала ГВЧР на толщину ПСПЗ и квазистационарный скачок потенциала в нем. В процессе экспериментов при одних и тех же условиях определялись и сравнивались между собой величины Цц и в ЕВЧР и ГВЧР. Предполагалось, что различие параметров ПСПЗ в этих разрядах обусловлено влиянием индуктивного канала.
1. Схема эксперимента и методика измерений
Источник плазмы представлял собой стеклянный цилиндр диаметром и длиной 15 см, расположенный между двумя диэлектрическими фланцами. Для возбуждения и поддержания разряда в источниках плазмы использовались спиральные антенны, закрепленные на боковой поверхности источников плазмы. Дополнительно к спирали на внутренней стороне нижнего и верхнего фланцев размещались обкладки конденсатора площадью S. Обкладка конденсатора, расположенная на нижнем электроде, была заземлена. Антенна и обкладки конденсатора подключались параллельно к одному ВЧ генератору, работающему на частоте ш= 13.56 МГц. Мощность ВЧ генератора могла изменяться в диапазоне 0-300 Вт.
Для измерения параметров ПСПЗ (Us, ds) использовался оригинальный бесконтактный метод, описанный в работе [3]. Для реализации метода в цепь емкостного канала последовательно с электродами включались разделительные конденсаторы. Токи, текущие через антенну и конденсатор, измерялись с помощью пояса Роговского.
Измерения проводились в разряде в аргоне, диапазон давлений 10-200 м Topp.
2. Результаты измерений и их обсуждение
Результаты измерений скачка потенциала Us и толщины слоя ds около активного электрода в ЕВЧР и гибридном разряде в зависимости от ВЧ напряжения V^, приложенного к антенне и конденсатору, представлены на рис. 1, 2.
Рассмотрим вначале поведение ключевого параметра — величины Us. Как видно, в ЕВЧР при увеличении ВЧ напряжения V^ значения Us сначала растут, достигают максимума и наконец уменьшаются. Рост
44
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2010. № 1
Us, В
1000
100
,В
Рис. 1. Зависимость квазистационарного скачка потенциала в слое пространственного заряда у активного электрода от амплитуды ВЧ напряжения 1 —
давление 0.01 Topp, 2 — 0.03 Topp, 3 — 0.2 Topp. Индекс «а» отностится к емкостному разряду, «Ь» — к гибридному
d, мм 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
,в
Рис. 2. Зависимость толщины слоя пространственного заряда у активного электрода от амплитуды ВЧ напряжения 1 — давление 0.01 Topp, 2 — 0.03 Topp, 3 — 0.2 Topp. Индекс «а» относится к емкостному разряду, «Ь» — к гибридному
давления аргона р приводит к уменьшению абсолютных значений Us. Отметим, что аналогичные зависимости были получены ранее в работе [4]. Физически зависимость Us(обусловлена характером поведения толщины слоя ds(V^), определяющим его импеданс Zs = ^^ и соответственно величины падения ВЧ напряжения на нем и его выпрямленного на нелинейной проводимости слоя квазистационарного напряжения Us.
В ГВЧР зависимость Us от V^, р видоизменяется. При низких давлениях (0.01-0.03 Topp) Us уменьшается с ростом , а при большем давлении (р = 0.2 Topp) монотонно возрастает с увеличением V^. Абсолютные значения приэлектродного скачка потенциала при давлениях 0.01-0.03 Topp существенно ниже, чем в ЕВЧР, причем наибольшая разница в значениях наблюдается при давлении 0.03 Topp. При давлениии 0.2 Topp абсолютные значения Us близки к полученным в ЕВЧР.
Относительно малые значения Us, наблюдавшиеся в гибридном ВЧ разряде при низких давлениях (р < 0.03 Topp), говорят о сильном влиянии индуктивного канала на параметры емкостного канала. Результаты, представленные на рис. 1, убедительно показывают, что, изменяя величину , можно существенно изменять величину Us, а следовательно, и энергию электронных пучков, формируемых в слоях. Так, при давле-
нии 0.03 Topp удается получить величины Us порядка 100 В, что обеспечивает формирование электронных пучков с энергиями Е ~ 100 эВ, обогащающих плазму электронами с энергией, оптимальной для ионизации атомов электронным ударом [5].
Поведение толщины приэлектродного слоя ds в зависимости от амплитуды приложенного ВЧ напряжения 1и давления газа р в ЕВЧР и ГВЧР заметно различается (рис. 2). В ЕВЧР толщина приэлектродного слоя увеличивается с ростом приложенного напряжения и уменьшением давления аргона. Толщина слоя в гибридном ВЧ разряде при давлении 0.2 Topp близка к величине, характерной для ЕВЧР. Напротив, при низких давлениях (р ^ 0.03 Topp) толщина слоя ds в гибридном разряде существенно ниже, причем значения ds уменьшаются при увеличении .
Проанализируем роль индуктивного канала разряда при различных давлениях аргона. При изменении давления газа происходит изменение глубины скин-слоя, определяющего проникновение вихревых полей в плазму, а также величины длины свободного пробега электронов. При низких давлениях длина свободного пробега электронов превышает глубину скин-слоя и сравнима с геометрическими размерами источника плазмы. В связи с этим электроны, нагретые в скин-слое, ионизуют газ практически во всем объеме источника плазмы. В этом случае роль индуктивного канала гибридного ВЧ разряда велика. При давлении 0.2 Topp длина свободного пробега электронов сравнима с глубиной скин-слоя, которая составляет величину порядка 0.6 см. В связи с этим нагрев электронов осуществляется только в пристеночной области источника плазмы, где электроны и теряют приобретенную энергию. В этом случае свойства плазмы в основном объеме разряда определяются емкостным каналом разряда.
В заключение на основании измеренных величин Us, ds рассчитаем плотности ионного тока на электрод ji, используя хорошо известный закон Чайл-да-Ленгмюра [5]:
. = 1 (2e\xnUf2 U~ 9тг VTwJ dl '
Полученные результаты для давлений 0.01 и 0.03 Topp приведены на рис. 3. Для давления р > 0.1 Topp
jh jiA/см2 0.20
0.15
0.10
0.05
500 1000 1500 2000 2500 3000 2К,В
Рис. 3. Зависимость ионного тока текущего на активный электрод от амплитуды ВЧ напряжения V^,: 1 — давление 0.01 Topp, 2 — 0.03 Topp. Индекс «а» отностится к емкостному разряду, «Ь» — к гибридному
РАДИОФИЗИКА, ЭЛЕКТРОНИКА, АКУСТИКА
45
вычисления плотности ионного тока /; не проводились вследствие нарушения предположения о бесстолкнови-тельном характере приэлектродного слоя.
Рисунок 3 демонстрирует, что при давлении 0.01 Topp плотность ионного тока в гибридном разряде существенно выше, чем в емкостном, однако величины ¡1 падают в области больших V^. При давлении 0.03 Topp плотность ионного тока в гибридном разряде существенно понижается. Это связано с уменьшением скачка потенциала Us (рис. 1).
Заключение
В работе рассмотрены закономерности изменения параметров приэлектродного слоя пространственного заряда вблизи электродов при изменении приложенного ВЧ напряжения в гибридном ВЧ разряде. Показано, что при давлениях менее 0.1 Topp наличие индуктивного канала гибридного ВЧ разряда приводит к существен-
ному уменьшению приэлектродного скачка потенциала и толщины слоя пространственного заряда. Увеличение давления аргона до р > 0.2 Topp сопровождается сближением свойств ГВЧР и ЕВЧР вследствие сильного скинирования вихревых ВЧ полей.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 09-02-01371-а).
Список литературы
1. Ковалевский В.Л., Савинов В.П. // Физика плазмы. 1994. 20, № 3. С. 322.
2. Кралъкина ЕЛ. // УФН. 2008. 178, № 5. С. 519.
3. Александров А.Ф., Рябый В.А., Савинов В.П., Якунин В.Г. Ц Физика плазмы. 2009. 28, № 12. С. 1082.
4. Кузовников A.A., Ковалевский В.Л., Савинов В.П. // Вести. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 1983. № 4. С. 28.
5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., 1992.
Influence of the inductive channel on the parameters of the nearelectrode sheaths of spatial charge in the hybrid RF discharge
A. F. Alexandrov, К. V. Vavilin, E. A. Kralkina", V. B. Pavlov, V. P. Savinov'', V. G. Yakunin
Department of Physical Electronics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
E-mail: a [email protected], b [email protected].
The results of the experimental study of the physical properties of the new modification of RF discharges, i.e., hybrid discharge, are presented. Hybrid RD discharge is maintained both by vortical and potential electric fields generated by inductive and capacitive channels of the discharge. The influence of the inductive channel on the parameters of the nearelectrode sheaths of spatial charge that indicates the properties of the capacitive component of the hybrid discharge is studied.
Keywords: RF discharge, hybrid RF discharge, inductive and capacitive channels, nearelectrode sheaths of spatial charge.
PACS: 52.50.-b, 52.80.Pi, 52.80.-s. Received 17 September 2009.
English version: Moscow University Physics Bulletin 1(2010).
Сведения об авторах
1. Александров Андрей Федорович — докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой; e-mail: [email protected].
2. Вавилин Константин Викторович — канд. физ.-мат. наук, науч. сотр.; e-mail: [email protected].
3. Кралькина Елена Александровна — докт. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.; e-mail: [email protected].
4. Павлов Владимир Борисович — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.; e-mail: [email protected].
5. Савинов Владимир Павлович — докт. физ.-мат. наук, доцент; e-mail: [email protected].
6. Якунин Владимир Георгиевич — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.; e-mail: [email protected].
