CC BY
64
УДК 537.523.74
A. Ф. Александров, В. Л. Ковалевский, В. А. Рябый,
B. П. Савинов, В. Г. Якунин
ДИАГНОСТИКА ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ СЛОЕВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА ВЧ-ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА
Ключевые слова: ВЧ-емкостныйразряд, диагностика плазмы, приэлектродный слой объёмного заряда.
Представлены оригинальные бесконтактные методы диагностики ВЧ-разряда - ширины приэлектродного слоя ds и скачка потенциала Us в нем, плотностей тока ионов на электрод jis, эмитированных электродом электронов Пе0, зарядов на границе слоя nes, длины релаксации приэлектродных электронных пучков Хр: 1) с помощью изучения ВАХ ВЧ-емкостного разряда (ВЧЕР), 2) посредством измерения напряжения на элементах электрической цепи ВЧЕР, 3) спектроскопическим методом, 4) путем регистрации осцилляции свечения разряда на частоте ВЧ-поля.
Keywords: RF capacitive discharge, plasma diagnostics, near electrode sheath of space charge.
Original contactless methods of RF discharge diagnostics are presented to determine: near electrode sheath thickness ds, voltage drop Us across the sheath, ion current densities to electrode jis, electron current densities ne0 emitted by electrodes, electron density at the sheath boundary nes and near electrode relaxation length for electron beams Xp using: 1) VA-characteristics of an RF capacitance discharge (RFCD), 2) voltage drops on the elements of RFCD electrical circuit, 3) spectral measurements,
4) discharge light oscillations on the RF field driving frequency.
Актуальность темы обусловлена, в частности, тем, что приэлектродные слои пространственного заряда (ПСПЗ) являются активной функциональной зоной в большинстве ВЧ плазменных технологий.
Наряду с традиционными [1-4], используются и оригинальные диагностики ПСПЗ. Ранние, как правило, контактные методики достаточно несовершенны, не пригодны для измерений непосредственно в ПСПЗ.
Рассмотрим предлагаемые авторами методы диагностики слоев ВЧ-емкостного разряда (ВЧЕР).
ВАХ - метод диагностики ПСПЗ ВЧЕР представляет собой методику оценки физических величин в разряде, основанную на использовании семейства вольт - амперных характеристик с разными межэлектродными расстояниями d и эквивалентных электрических схем (ЭЭС) разряда. Метод применим к ВЧЕР среднего давления с выраженным на ВАХ участком нормального режима НР (рис.1).
При малых d разряд на нижней (а — ветви) имеет емкостной импеданс и может быть представлен двумя емкостями ПСПЗ. Физические величины на у — ветви ВАХ соответствуют ЭЭС ВЧЕР, состоящей из двух емкостей слоев Cs, шунтированных сопротивлениями Rs. Совпадение у— ветвей ВАХ при d = 0.2 см и 0.5 см показывает отсутствие плазмы «положительного столба».
ЭЭС ВЧЕР отлична для первой (нижней) точки “о” и последней (верхней) точки “e” участка НР (отсюда физические величины с индексами “o” и “e”). Для нижней точки “o” модуль импеданса ПСПЗ имеет вид: IZsoI = Rso/Vl+w2R2soC2so; емкость слоя Cso = Cse = S;3/4ndS. Для верхней точки “e” получаем IZseI= Rse/Vl + w2R2seC2so и сопротивление слоя Rse = V~n/V I ~e — I ~o. Толщина слоя ds = V~S^/8nI~, где V~ ,I~ — ВЧ напряжение и ток, S;3 -площадь электрода, w - частота ВЧ поля. По известным величинам Rs и Cs можно вычислить активную I~a и реактивную I~c составляющие полного разрядного тока I~. Используя семейство ВАХ ВЧЕР (рис.1), можно получить пространственную структуру разряда, построив кривую
V~n(d).
Рис. 1 - ВАХ ЕВЧР (заземлённый электрод) для различных межэлектродных расстояний (Гелий, Р=50 Торр, 1=1.2 МГц)
Далее предлагается бесконтактный метод определения параметров ПСПЗ ВЧЕР посредством измерения квазистационарных и переменных напряжений на элементах электрической цепи ВЧЕР с последующим вычислением скачка потенциала и в слое и толщины Ь3. В случае бесстолкновительного ПСПЗ определяются также плотность тока ионов на электрод и концентрация зарядов Пез на границе плазмы.
Пространственная физическая модель ВЧЕР и соответствующие обозначения представлены на рис.2.
Рис. 2 - Пространственная физическая модель исследуемого ВЧЕР
В основе метода лежит рассмотрение емкостных делителей напряжения, состоящих из емкостей: Со1,С 1,081 и С02, С 2, Сз2 ■ Составлена система уравнений:
_ * *
Я1= иэ1 Сэ1 — и 1О 1= Ыо1 О01 (1)
q2- Us2Cs2- U 2C 2- U02C02 (2)
* *
Ud + Usi - Us2 - Ui + U2 - 0 (3)
Voi/Vd - Cd/Coi (4)
где q1 и q2 - квазистационарные заряды, возникающие в Cs1 и Cs2 и наведенные на соседних
емкостях C i,C 2, C01, C02 ; Us1, Us2 скачки потенциала на ПСПЗ; Ud — суммарное падение
квазистационарного напряжения на разряде; V01 и Vd - падения переменного напряжения на
C01 и Cd. Неизвестные величины - Us1, Us2 Cs1, Cs2. Емкость разряда
Cd - (C-1si+ C-1s2 + C*-1i + C*-12 )-1 + Ce, где Ce - межэлектродная емкость.
Используя приведенные выражения, получаем:
Us2 - Us1+ Ud — U01C01/C 1 + U02C02/C*2, (5)
Usi - [ Vd/ (V01C01 — Vd Ce) + C*-1i (U01C01/U02C02 —1) — Ud/U02C02 — 2/C*2](1/U0iC0i + 1/U02C02)-1 (6)
dsi - SiUsi/4nU0iC0i , (7)
ds2 - S2Us2/4nU02C02 . (8)
При этом измеряемыми величинами являются: U01 ,U02,V0i ,V0i ,Vd.
В случае бесстолкновительного ПСПЗ плотность тока ионов на электрод можно оценить с помощью выражения Чайлда-Ленгмюра: jis - 1/9nV2e/MiUs3/2/ds3/2 ,
а используя формулу Бома: ji -0.8eniV2kTe/Mi,
можно оценить концентрацию ионов на границе слоя
ni* 1.25 ji/eV2kTe/Mi.
Данным методом впервые измерены приэлектродные скачки потенциала Us в ЕВЧР с внешними электродами [5].
Предлагается спектроскопический метод измерения плотности электронов ne0, эмитированных с поверхности электрода ВЧЕР, основанный на измерении абсолютной интенсивности спектральной линии Iki. Для определения величины ne0 используются выражения для интенсивности линии Iki (9), уравнения баланса заселенности k-го энергетического уровня (10), частоты заселяющих уровень соударений Vk (11) и условия постоянства потока электронов от электрода (12):
Iki - nkAkihVki , (9)
neVk - nk/£1/Akr , (10)
Vk = naCTk(v)v , (11
ne0Ve0 - ne(x)Ve(x), (12)
где nk - заселенность k-го уровня, Aki - коэффициент Эйнштейна спонтанного перехода, hVki — квант света, Vk - частота заселения k-го уровня, na - концентрация атомов, CTk(v) -сечение заселяющего столкновения электрона с атомом, ve0 - скорость вылета эмитированного электрона.
Выражение для ne0 имеет вид:
ne0 = Iki / hvkinaCTkVe0Aki^1/Aki.
В заключение представим оптический метод измерения длины релаксации электронных пучков по импульсу Ар в приэлектродной области ВЧЕР. Данная методика основана на изучении пространственного распределения в разряде амплитуды осцилляции свечения Iw(x) на частоте поля ю что связано с импульсным характером пучков (один импульс за период поля). По мере удаления пучка от электрода, амплитуда осцилляции затухает по экспоненциальному закону:
Цх) - U exp (— x/Ар).
48
Величина Ар показывает протяженность зоны пучковых эффектов в ВЧЕР и
характеризует механизм затухания электронных пучков.
Литература
1. Райзер, Ю.П. Высокочастотный емкостный разряд/ Ю.П. Райзер, М.Н. Шнейдер, Н.А. Яценко. -М.: Наука, 1995. - 310 с.
2. Gottscho, R.A. Glow-discharge sheaths electric fields: Negative-ion, power, and frequency / R.A. Gottscho // Phys.Rev. - 1987. - V.A36. - P. 2233 - 2242.
3. Кузовников, А.А. О влиянии собственных стационарных электрических полей на свойства высокочастотного разряда / А. А. Кузовников, В.П. Савинов // Радиотехника и Электроника. - 1973. -Т.18. - С. 816 - 822.
4 Казанцев, С.А. Поляризационная диагностика низкотемпературной плазмы / С.А. Казанцев, А.В. Субботенко // Физика плазмы. - 1984 . - Т. 10 . - С. 135 - 142.
5. Александров, А. Ф. Бесконтактный метод изучения параметров приэлектродной области ВЧ разряда / А.Ф. Александров, В.А. Рябый, В.П. Савинов, В.Г. Якунин // Физика плазмы. - 2002 . - №12 . -С.1086 - 1092.
© А. Ф. Александров - д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой физ. электроники МГУ им. М. В. Ломоносова, dean@phys.msu.su; В. Л. Ковалевский - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова; В. А. Рябый - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Московского авиационный ин-тута (государственный технический университет), riame@sokol.ru; В. П. Савинов - д-р физ.-мат. наук, доц. физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, dean@phys.msu.su; В. Г. Якунин -канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
