РОЗДІЛ 2
ПРОСТОРОВІ ТА ПРОСТОРОВО УСЕРЕДНЕНІ ПАРАМЕТРИ
ІНДУКЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ПЛАЗМИ
Властивості індукційних джерел плазми вивчалися та продовжують вивчатися у
багатьох наукових центрах. В результаті досліджень різних наукових груп було
з’ясовано, як зовнішні параметри впливають на густину та температуру електронів
[41, 42], розподіли електронів та іонів за енергією [43, 44], передачу енергії
частинкам плазми [45, 48] в цих розрядах. При цьому вплив зовнішніх умов на
просторові розподіли густини струму іонів до останнього часу був недостатньо
дослідженим.
Між тим, від густини струму іонів j на поверхню, що обробляється, залежить
ефективність її обробки у багатьох плазмових технологіях. Наприклад, при
плазмово-хімічному травленні інтенсивність струму іонів визначає швидкість
травлення зразка. При плазмово-фізичному розпиленні від j залежить швидкість
видалення матеріалу з поверхні. Крім цього, у порівнянні з такими параметрами
плазми, як густина та температура електронів, величина j може бути
безпосередньо виміряною в експериментах. Зразки, які обробляються в плазмових
реакторах, як правило, розташовують на дні розрядної камери. Тому дослідження
густини струму іонів j на дно індукційного джерела плазми є актуальним.
Відзначимо, що в більшості робіт [1, 41-48], які присвячено індукційним
джерелам плазми, розглядалися розряди, що генеруються струмом частотою 13.56
МГц. Але в останні роки для створення плазми високої густини та великого об’єму
також використовуються генератори частоти у діапазоні 0.45-0.56 МГц [49, 50,
196]. Властивості слабоіонізованої плазми індукційних джерел, які підтримуються
струмом частотою 0.46 МГц, на сьогоднішній день є недостатньо дослідженими.
Індукційні джерела плазми широко застосовуються при вирощуванні
різноманітних наноматеріалів [51-54]: вуглецевих нанотрубок, нановолокон,
наноконусів, наночастинок та ін. Наноструктури, які вирощено плазмовими
методами, використовують для створення різноманітних нанопристроїв [197-201],
таких як, емітери електронів, транзистори, що оперують з високою швидкістю та
ін. Наноструктури, в яких повздовжні розміри значно перевищують поперечні, як
правило, механічно та хімічно стійкі і дозволяють генерувати інтенсивні струми
електронів у доволі слабких зовнішніх електричних полях. Для контролювання
процесу формування наноструктур у плазмових реакторах важливо знати властивості
плазми, яка є джерелом частинок, з яких утворюються ці наноструктури, а також,
як плазмове оточення впливає на формування наноструктур.
2.1. Потік іонів на поверхню, що обробляється в індукційному джерелі
плазми з робочим газом аргоном
У даному підрозділі досліджуються потоки іонів на поверхню, що обробляється в
індукційному джерелі плазми [119]. Розглянуто випадок, коли ця поверхня
знаходиться на дні розрядної камери. Потоки іонів на поверхню, що оброблялася в
індукційному розряді за умов, коли температура електронів була близькою до
просторово однорідної, вивчалися у роботі [202]. Ці дослідження проводилися за
допомогою глобальної моделі розряду [177], яка дозволяє визначити просторово
усереднені параметри плазми. У роботі [202] розглядалися тиски робочого газу,
менші за 0.005 мм рт. ст. За більших тисків робочого газу температура
електронів є просторово неоднорідною і вплив неоднорідності температури
електронів на інші параметри плазми може бути суттєвим. У даному підрозділі
розглядається індукційне джерело аргонової плазми за тисків робочого газу,
більших за 0.005 мм рт. ст. Для вивчення властивостей цього розряду розроблено
двовимірну гідродинамічну модель. За допомогою цієї моделі вивчаються
просторові розподіли густини та температури електронів, а також, як тиск
робочого газу та геометрія індуктора (розташування індукційних витків зі
струмом) впливають на однорідність густини струму іонів на поверхню, що
обробляється. Розраховані розподіли густини струму іонів порівняно з
експериментальними j, які було отримано співробітниками Харківського
національного університету ім. В. Н. Каразіна С. В. Дудіним та О. В. Зиковим
[119].
В експериментах [119] індукційний розряд створювався у циліндричній камері з
внутрішнім радіусом R = 10 см та висотою L = 10 см. Бокові стінки камери були
кварцеві, а дно та верх-металеві. Камера охолоджувалася водою так, що
температури іонів та нейтральних частинок були близькими до кімнатної
температури (300 К). Робочим газом в експериментах був аргон. Два витки, по
яких протікав струм частотою f = 13.56 МГц, обвивали бокову поверхню
циліндричної камери і були розташованими при z = 4 см та 6 см (z = 0 відповідає
верхній межі плазми). На рис. 2.1 зображено схему розряду.
Рис. 2.1. Схема розряду. Площина z = 0 співпадає з верхньою стінкою розрядної
камери.
Струм іонів на дно розрядної камери вимірювався плоским зондом Ленгмюра, який
був розташований біля дна камери і міг рухатися у радіальному напрямку. В усіх
експериментах потужність Q, що поглиналася у розряді, приблизно дорівнювала 250
Вт. Детальніше експерименти по вивченню потоків іонів на дно камери, які
проводилися науковцями Харківського національного університету ім. В. Н.
Каразіна, описано у роботах [119, 202].
Радіальні розподіли густини струму іонів на поверхню, що оброблялася, j, які
було отримано в експериментах за різних тисків робочого газу, показано на рис.
2.2 (а). А на рис. 2.2 (b) зображено залежності j у центрі розряду ( r = 0 )
від тиску робочого газу. Як це видно з рис. 2.2 (а), за тисків робочого газу P
Ј 0.008 мм рт. ст. розподіл j має максимум при r = 0, а при P > 0.02 мм рт. ст.
максимум густини струму розташований не в центрі розря
- Киев+380960830922