научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 183-192

УДК 537.525.72,537.525

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

© 2015 г. М. В. Исупов, А. В. Федосеев, Г. И. Сухинин,

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: isupovmikhail@yandex.ru Поступила в редакцию 20.02.2014 г.

Изучены электрофизические и теплофизические характеристики низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа в аргоне в широком диапазоне параметров: плотностей тока разряда 0.1—0.8 A/см2, давлений аргона 15—6000 Па. Разработана самосогласованная радиальная модель плазмы низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа низкого давления в аргоне, основанная на одновременном решении уравнений баланса плотности электронов и мета-стабильных атомов аргона, уравнений баланса энергии электронов и температуры газа. Выполнен расчет зависимости напряженности электрического поля от давления аргона и тока разряда. Показано, что результаты расчетов хорошо совпадают с результатами измерений и описывают их основные особенности: падающую вольт-амперную характеристику разряда и наличие локального минимума в зависимости напряженности электрического поля от давления. Получены радиальные распределения параметров плазмы низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа (плотности электронов, температуры газа, температуры электронов). Показано, что учет прогрева газа приводит к существенному изменению параметров плазмы индуктивно-связанного разряда.

DOI: 10.7868/S004036441502012X

И. М. Уланов

ВВЕДЕНИЕ

Индукционные газовые разряды низкого давления широко применяются в микроэлектронике для ионно-плазменной обработки поверхности материалов (травление, осаждение слоев, ионная имплантация) [1], в светотехнике для создания новых газоразрядных ламп с большим ресурсом работы [2], а также во многих других технологических процессах, связанных с проведением плаз-мохимических реакций, плазменной обработкой, генерацией оптического излучения. Поэтому задача повышения эффективности и улучшения характеристик индукционных газоразрядных устройств низкого давления является актуальной.

К основным недостаткам "классических" ВЧ индукционных разрядов с плоским и соленои-дальным индуктором можно отнести высокую частоту генерации разряда (~10 МГц), необходимость применения дорогостоящих ВЧ-источни-ков питания, низкий коэффициент магнитной связи между индуктором и газовым разрядом (к ~ ~ 0.2—0.7) и, соответственно, плохое согласование между источником питания и нагрузкой, а также влияние емкостной связи между витками индуктора на плазму индукционного разряда низкого давления. Последнее обстоятельство особенно важно для технологий плазменной обработки полупроводниковых материалов. Ионы газоразряд-

ной плазмы ускоряются в электрическом поле, возникающем между витками индуктора, бомбардируют и разрушают стенки газоразрядной камеры, загрязняя обрабатываемые полупроводники. Все это существенно затрудняет задачу получения больших объемов однородной плазмы с помощью "классических" ВЧ индукционных разрядов, для плазменной обработки пластин кремния нового поколения (диаметром 450 мм) [3].

Вышеупомянутые недостатки "классических" ВЧ индукционных разрядов могут быть устранены путем использования замкнутых ферромагнитных сердечников для связи индуктора и газового разряда (рис. 1). Фактически, это принцип работы обычного электрического трансформатора с той лишь разницей, что роль вторичной обмотки играет тороидальный плазменный виток, поддерживаемый вихревым электрическим полем Е, создаваемым переменным потоком Ф(0:

(ш , •> д

ь

где X — общая длина тороидального плазменного витка.

Использование замкнутых ферромагнитных сердечников обеспечивает хорошую магнитную связь (к ~ 1) между газовым разрядом и индуктором, улучшает согласование между источником

2 1

Ф(0 -л

4 : Ь '' ! 1 IX./ 1 1 1 1 -У

3 \ о- X... В(0

О

Рис. 1. Принцип генерации низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа: 1 — газоразрядная камера, 2 — магнитопровод, 3 — индуктор (первичная обмотка), 4 — источник питания.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 — газоразрядная трубка, 2 — магнитопровод, 3 — первичная обмотка, 4 — блок согласования, 5 — источник питания, 6 — трансформатор тока, 7 — измерительный виток, 8 — азотная ловушка, 9 — форвакуумный насос, 10 — вакуумметр.

питания и газовым разрядом и позволяет существенно (на два-три порядка) снизить частоту генерации индукционного разряда и, соответственно, использовать массово выпускаемые, дешевые источники питания для индукционного нагрева металлов с частотой тока 10—100 кГц [3, 4].

Поскольку в низкочастотном индукционном разряде трансформаторного типа индуктор (первичная обмотка) и газовый разряд разнесены в пространстве, эффекты емкостной связи между витками индуктора никак не сказываются на самом индукционном разряде, что крайне важно для создания новых устройств ионно-плазменной обработки полупроводниковых материалов.

Таким образом, благодаря большому сроку службы, возможности получения чистой плазмы, низкой частоте генерации разряда, хорошему согласованию между разрядом и источником питания, отсутствию эффектов межвитковой емкостной связи, низкочастотные индукционные разря-

ды трансформаторного типа низкого давления представляют большой интерес для создания на их основе новых безэлектродных газоразрядных устройств для широкого спектра практических приложений (источники света, газоразрядные устройства для ионно-плазменной обработки, плазмохимического осаждения пленок, плазменного травления и т.д.).

Однако в настоящее время существует большой пробел в экспериментальном и, в особенности, в теоретическом описании низкочастотных индукционных разрядов трансформаторного типа низкого давления. Известна математическая модель низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа [5, 6], в которой характеристики разряда описываются в рамках двух-температурного магнитогазодинамического приближения плазмы, при давлении аргона ~104 Па и плотности тока разряда 5 А/см2. Однако в области более низких давлений и плотностей тока необходимо использовать кинетический подход, рассматривая весь спектр элементарных процессов, протекающих в плазме. Отсутствие достоверных кинетических моделей не позволяет выполнять численные расчеты и оптимизировать разрабатываемые газоразрядные устройства на базе низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа низкого давления. В свою очередь, пробелы в экспериментальных данных о характеристиках низкочастотных индукционных разрядов трансформаторного типа не дают возможности верифицировать разрабатываемые модели.

Целью данной работы являлись проведение экспериментальных исследований низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа низкого давления в аргоне, разработка одномерной (радиальной) кинетической модели разряда.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. На кварцевой газоразрядной колбе 1 с внутренним диаметром 35 мм и периметром по средней линии 50 см установлен ферритовый магнитопровод 2 сечением 16 см2 с тремя витками первичной обмотки 3. Первичная обмотка подключена к источнику питания 5 с выходным напряжением 500 В и частотой тока 100 кГц через блок согласования 4.

Ток разряда измерялся с помощью трансформатора тока (пояс Роговского) 6. Напряжение на разряде определялось с помощью одиночного витка провода 7, охватывающего сечение магни-топровода. Аналогичный метод измерения напряжения низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа использован в работах других авторов [7, 8].

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема установки: 1 — источник питания (100 кГц, 500 В), 2 — блок согласования, 3 — низкочастотный индукционный разряд (эквивалентная схема), 4 — дроссель блока согласования Lp, 5 — емкость блока согласования C, 6 —

индуктивность первичной обмотки ¿обм, 7 -тивление R.

сопро-

— 1 A [7]

—д— 3 A [7]

-7- 10 A [7]

—■— 1 A

—А— 3 A

— • — 5 A

▼ 8 A

10 100 1000 10000 р(Аг), Па

Рис. 4. Зависимость напряженности электрического поля от давления аргона для разных токов низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа.

Для откачки системы, использовался форваку-умныш насос 9, соединенный с азотной ловушкой 8. Эксперименты проводились при непрерыганом протоке аргона через газоразрядную камеру для обеспечения высокой чистоты плазмообразую-щего газа (аналогичный подход использован в работе [7]). Давление аргона регулировалось изменением его расхода с помощью натекателя и измерялось вакуумметром 10.

Эквивалентная электрическая схема экспериментальной установки показана на рис. 3. Схема включает в себя источник питания 1, блок согласования 2 и низкочастотный индукционный разряд трансформаторного типа 3. Блок согласования 2 состоит из регулируемого дросселя 4 и конденсатора С 5. Низкочастотный индукционный разряд трансформаторного типа 3 можно представить в виде индуктивности первичной обмотки трансформатора Ьобм 6, включенной параллельно его сопротивлению Я 7. В режиме холостого хода (без индукционного разряда) Я > юЬобм (в этом случае сопротивление определяется только тепловыми потерями в сердечнике и для идеального трансформатора стремится к бесконечности). Когда индукционный разряд "горит", Я ~ « М2Япл, где N — число витков первичной обмотки, Япл — сопротивление плазменного витка.

Емкость С выбирается таким образом, чтобы образовать вместе с дросселем резонансный контур, позволяющий получить в момент пуска повышенное напряжение, необходимое для зажигания разряда (резонансная схема зажигания газового разряда).

После зажигания разряда в газоразрядной камере возникает замкнутый плазменный виток с Япл ~ 10 Ом, и дроссель блока согласования начинает играть роль электрического балласта, стабилизирующего и регулирующего ток разряда.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Измерена зависимость напряжения горения низкочастотного индукционного разряд

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком