WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 1 04;09;12 Электродный СВЧ разряд пониженного давления в аргоне © Ю.А. Лебедев, М.В. Мокеев Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, 117071 Москва, Россия e-mail: lebedev@ips.ac.ru (Поступило в Редакцию 30 мая 2001 г.) Представлено феноменологическое описание электродного СВЧ разряда в аргоне при давлениях 1–30 Torr и падающих мощностях < 300 W. Приведены результаты зондовых измерений. Показано, разряд может быть получен на конце возбуждающего штыря-антенны и имеет различные формы (например, форму шара или перемещающихся светящихся нитей). В случае шарового разряда его пространственная структура отличается большей однородностью от полученной ранее в молекулярных газах. Добавление кислорода увеличивает поглощенную плазмой мощность при неизменной падающей мощности, изменяет структуру разряда и приближает ее к структуре в молекулярных газах.

Одним из новых направлений исследований в области Визуализация разряда осуществлялась с помощью вигазовых разрядов является изучение электродных СВЧ деокамеры Panasonic NV-M3000EN (времена экспозиции разрядов. Сведения о них в литературе практически 1/20–1/8000 с) с последующей цифровой обработкой изображений. Результаты приведены на рис. 1. Параметры отсутствуют. Это вызвано тем, что основной тенденцией плазмы определялись методом двойных электрических развития газоразрядных источников плазмы являлось зондов [1,2], и полученные результаты показаны на стремление удалить из разрядного объема электроды как источник загрязнения. Теория таких разрядов отсутству- рис. 2, a, b. Приведенные на рисунке значения ионного тока насыщения Ii соответствуют напряжениям на ет, и сейчас идет процесс накопления экспериментальзондах 50 V и усреднены по значениям, вычисленным ных сведений о свойствах и параметрах разряда. Выполпо обеим ветвям двухзондовой характеристики. Погрешнен ряд экспериментальных исследований электродных ность определения ионного тока 10%. Концентрацию разрядов в молекулярных газах [1–5]. Анализ данных, заряженных частиц можно оценить по ионному току полученных в экспериментах с молекулярными газами, насыщения с помощью известного соотношения [8] позволил сформулировать общие представления о физических процессах в электродных СВЧ разрядах, приводяIi = 0.61Ni eSpvi, (1) щих к существованию наблюдаемой структуры и объясняющих наблюдаемые экспериментальные зависимости.

где Ni — концентрация заряженных частиц, e —заряд Оценки показали, что напряженность электрического электрона, Sp = d1 = 4.7·10-7 m2, vi 104(Te/A)1/2 — поля во внешней области разряда (вне области свечения) средняя скорость ионов с учетом ускорения их в преднедостаточна для поддержания разряда, и эта область слое, A — массовое число иона.

является областью распадающейся плазмы. Светящаяся Если считать основным ионом аргоновой плазмы область разряда является областью самостоятельного ион Ar+, то для оценок концентрации заряженных чаразряда, в которой осуществляется энерговклад. Так, стиц (ne ni) можно воспользоваться соотношениона имеет неоднородную шаровую структуру с яркой ем Ni [cm-3] 7 · 109Ii [µA] (здесь считалось, что светящейся приэлектродной пленкой. Показана также Te 3eV). Температура электронов определялась по возможность использования таких разрядов в плазмохивольт-амперной характеристике двойного зонда при пламии [6,7]. В настоящей работе приводятся результаты, вающем потенциале по обычной методике (см., наприполученные в разряде в аргоне.

мер, [8]). Поскольку разряд часто представляет собой Разрядная система была аналогична описанной в [1–5].

систему перемещающихся нитевидных структур (рис. 1), Разряд создавался в металлической вакуумированной а время измерения ВАХ зонда значительно превышакамере, электромагнитная энeргия (2.45 GHz, падающая ет время изменения структуры разряда, данные рис. мощность Pin 300 W) вводилась в камеру с помощью характеризуют усредненные по времени характеристики штыря из нержавеющей стали (диаметр 6 mm). Падаразряда. Основные результаты работы могут быть сфорющая и отраженная разрядом мощность определялась с мулированы следующим образом.

помощью направленного ответвителя. Степень согласо- Разряд может существовать в двух видах (рис. 1): a — вания разрядной камеры с генератором могла изменяться при давлениях, меньших 10 Torr, он имеет шаровую форс помощью короткозамыкающих поршней в подводящей му; b — с увеличением давления разряд приобретает вид волноводной линии. Разряд возникал на конце штыря. перемещающихся нитей, начинающихся на электроде, Давление аргона в камере 1–30 Torr, расход аргона не причем нитевидная структура сильнее проявляется при превышал 100 cm3/min (при нормальных условиях). больших давлениях. При больших давлениях наблюдение 140 Ю.А. Лебедев, М.В. Мокеев Рис. 1. Вид электродного разряда в аргоне при давлениях 1 (a), 10 (b), 20 (c), 30 Torr (d ) при различных временах экспозиции (масштаб плазменных образований ясен из сравнения с изображением на фотогорафиях цилиндрического электрода 6mm).

разряда с разными выдержками показало, что даже при Шаровой разряд в аргоне на конце антенны горит видимой на глаз диффузионной форме разряда последняя в условиях больших уровней отражения, значительно создается перемещающимися нитями. превышающих значения для молекулярных газов. Это В случае шарового разряда интенсивность свечения объясняется тем, что в импедансе плазмы инертных разряда больше у антенны, и она монотонно спадает к газов в отличие от молекулярных газов преобладает репериферии. активная составляющая. Отражение уменьшается только При больших уровня СВЧ мощности разряд зажига- при появлении дополнительного разряда в месте ввода ется в месте ввода антенны в камеру (сужение коакси- антенны в камеру, и он поглощает практически всю мощность (его интенсивность растет при увеличении альной линии) и затем изменением положения поршней мощности).

в волноводной линии может быть смещен на конец антенны. Как правило, разряд горит только при одном Добавление молекулярного газа (кислород) стабилиположении поршней и мощности. Изменение любого из зирует разряд и делает более четкой его границу. При них требует изменения и остальных. Система проявляет сохранении падающей мощности увеличиваются темперезонансные свойства. ратура электронов и концентрация заряженных частиц Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Электродный СВЧ разряд пониженного давления в аргоне Рис. 1 (продолжение).

(кривые 4 и 3 на рис. 2, a, b соответственно). Этосвязано температуры электронов определяется нагревом элекс увеличением поглощенной в плазме мощности. Разряд тронов электромагнитным полем и характерный пропо структуре приближается к разряду в молекулярных странственный масштаб столкновительной диссипации газах [4,5].

энергии электронов значительно меньше характерноКонцентрация электронов на оси разряда превыша- го масштаба изменения поля вне плазменной области.

ет критическую концентрацию (для частоты 2.45 GHz, В водороде это проявлялось во всем диапазоне исслеnec 7 · 1010 cm-3). дованных давлений (1–15 Torr). В аргоне, где средняя В [2] было показано, что результаты зондовых изме- доля потерь энергии электронов 10-4 существенно рений температуры электронов в пространстве, окружа- меньше, чем в молекулярном газе ( 10-3), это должно проявляться при больших давлениях. Это и видно из ющем шаровой электродный разряд в водороде, могут быть объяснены существованием поверхностной элек- рис. 2 (кривая 1): экспоненциальный спад температуры тромагнитной волны, напряженность которой экспонен- электронов наблюдается только при давлении 8 Torr. Как циально спадает по нормали к границе разряда. Это и в [2], напряженность электромагнитного поля в этом проявляется при давлениях, когда радиальное изменение случае может быть оценена с помощью кинетического Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 142 Ю.А. Лебедев, М.В. Мокеев Список литературы [1] Бардош Л., Лебедев Ю.А. // Физика плазмы. 1988. Т. 24.

№ 10. С. 956–960.

[2] Бардош Л., Лебедев Ю.А. // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 12.

С. 29–33.

[3] Лебедев Ю.А., Мокеев М.В., Татаринов А.В. // Физика плазмы. 2000. Т. 26. № 3. С. 293–298.

[4] Лебедев Ю.А., Мокеев М.В. // ТВТ. 2000. Т. 38. № 3. С. 381– 385.

[5] Бардош Л., Лебедев Ю.А. // ТВТ. 2000. Т. 38. № 4. С. 552– 556.

[6] Bardos L., Barankova H., Lebedev Yu.A. et al. // Diamond and Related Materials. 1997. Vol. 6. N 3. P. 224–226.

[7] Bardos L., Barankova H., Lebedev Yu.A. // 42d Ann. Conf.

Soc. of Vac. Coaters. Proc. SVC TC. Chicago, 1999. Paper E-7.

[8] Методы исследования плазмы / Под ред. В. ЛохтеХольтгревена. М.: Мир, 1971. С. 459.

[9] Александров Д.И., Дианов Е.М., Блинов Л.М. и др. // Физика плазмы. 1986. Т. 12. № 8. С. 1008–1112.

Рис. 2. a — радиальные распределения ионного тока насыщения зондов, нормированные на максимальное значение в Ar при давлении 1 Torr (1, падающая мощность 140 W, Ii max = 24 µA), 3 Torr (2, падающая мощность 200 W, Ii max = 80 µA), 8 Torr (3, Ar, падающая мощность 200 W, Ii max = 92 µA) и в смеси Ar + 16% O2 при давлении 3 Torr (4, падающая мощность 200 W, Ii max = 140 µA); b —радиальные распределения температуры электронов в плазме в Ar при давлении 3 Torr (2, падающая мощность 200 W), 8 Torr (1, падающая мощность 200 W) и в смеси Ar + 16% O2 при давлении 3Torr (3, падающая мощность 200 W).

уравнения Больцмана. Оно позволяет рассчитать напряженность поля, соответствующего измеренным значениям температуры электронов. Уравнение решалось численно [9]. Следует отметить, что эти оценки в случае аргона в отличие от водорода усложняются тем, что энергетическое распределение электронов в области ядра распределения сильно зависит от концентрации электронов. Это обусловлено существенным влиянием межэлектронных столкновений. Оценки показали, что напряженность электрического поля в окрестности плазменного образования 2.5–4 V/cm, что существенно меньше значений, определенных в [2] для водорода.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке NWO (Голландия) (грант № 047.011.000.01).

Авторы признательны А.А. Сковороде за предоставление аппаратуры для визуализации разряда и участие в работе.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.