ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЧ ПЛАЗМОТРОНА НА БАЗЕ РЕЗОНАТОРА ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ В ОБЛАСТИ НИЗКОГО ВАКУУМА

June 29, 2012 by admin Комментировать »

Бордусов С. В. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Беларусь, 220027, Минск, П. Бровки, 6 E-mail: Bordusov@gw.bsuir. unibel.by


Аннотация Представлены результаты измерений некоторых электрофизических характеристик, определяющих работу СВЧ плазмотрона на базе резонатора прямоугольной формы с частичным заполнением плазмой резонирующего объема. Установлено, что распределение СВЧ поля и локальной электропроводности плазмы по длине разрядной области носят периодический характер с чередующимися максимумами и минимумами, а изменение значений температуры плавно уменьшается от места ввода СВЧ энергии в резонатор.

I.  Введение

В связи с требованием повышения эффективности промышленного производства микроэлектронных устройств актуальной является задача разработки плазменных источников, обеспечивающих проведение процессов на обрабатываемых поверхностях большой площади и с высокими технологическими характеристиками. Этим требованиям отвечают СВЧ плазменные разряды.

Так как эффективность процессов плазмообразования и поддержания стабильного газового разряда в значительной степени связана с величиной напряженности электрической составляющей электромагнитного поля ЕЭфф в зоне разряда [1], то особый интерес представляют СВЧ плазмотроны резонаторного типа, в которых значительное возрастание напряженности поля электромагнитной волны в зоне плазмообразования обеспечивается не повышением мощности источника СВЧ энергии, а за счет конструктивных решений системы формирования СВЧ поля [2].

В настоящее время СВЧ устройства резонаторного типа с характерным размером разрядной области, превышающим длину возбуждающей плазму электромагнитной волны, изучены недостаточно полно, а известные технические решения установок резонаторного типа [3, 4] требуют всестороннего исследования для усовершенствования и оптимизации их конструктивного решения, разработки инженерных методов расчета конструктивных элементов разрядных узлов и выработки научно обоснованных рекомендаций по их применению в процессах вакуумной плазменной обработки материалов.

II.  Основная часть

Проводились исследования локальных электрофизических характеристик плазмы газового разряда в разрядном устройстве [4], на базе резонатора прямоугольной формы. Плазменный разряд зажигался в цилиндрической кварцевой трубе с наружным диаметром 200 мм и длиной 310 мм, расположенной в центре прямоугольного резонатора с внутренними размерами 345x250x380 мм вдоль продольных сторон резонатора. В качестве источника электромагнитных СВЧ колебаний использовался магнетрон М

–    105, имеющий выходную мощность на согласованную нагрузку до 600 Вт и генерирующий колебания на частоте f = 2,45 ГГц. Колебания поступали в резонатор через прямоугольное отверстие связи, расположенное своей длинной стороной вдоль резонирующих стенок.

Методами исследования выбраны зондовый и термопарный. Измерения локального распределения электрической составляющей поля по длине реактора проводились с использованием «активного» зонда, представляющего собой отрезок центрального внутреннего проводника гибкого коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, внешний проводник которого выполнен из медной трубки, а внутренний из одножильного медного провода диаметром 1,4 мм, выступающего на 5 мм из внешней экранирующей оболочки, что много меньше длины волны исследуемых колебаний [5]. От воздействий плазмы зонд был защищен фторопластовым колпачком и кварцевым чехлом. Величина наводимого на зонде СВЧ сигнала пропорциональна амплитуде составляющей электрического поля, направленного вдоль зонда.

Локальные измерения электропроводности плазмы проводились зондами, выполненными в виде плоских электродов из нержавеющей стали, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга.

Температура и концентрация электронов измерялись двойными зондами из молибденовой проволоки диаметром 0,16 мм, запаянными в капилляр из молибденового стекла и изолированными друг от друга.

Температура тяжелых частиц газового разряда измерялась хромель-копелевыми термопарами, помещенными в капилляр из молибденового стекла с остекловыванием места спая. Зондовые измерительные цепи тщательно экранировались. Газовая температура плазмы определялась в точке окончания роста температуры.

В качестве плазмообразующих сред использовались воздух, кислород и аргон.

На рис. 1 приведены типовые зависимости изменения значений локального распределения электрической составляющей поля, электропроводности плазмы и температуры газа вдоль длины реактора в плазме кислорода. Вид изменения кривых, представленных на рисунке, характерен и для плазмы воздуха и аргона, и иллюстрирует устойчивую форму неравномерности распределения плотности СВЧ мощности в объеме разрядной зоны. Показания «активного» зонда и электрических зондов, измеряющих ток проводимости плазмы, по длине разрядной камеры носят периодический характер с периодом чередования максимумов и минимумов примерно 70 мм, что немного превышает половину длины возбуждающей плазму электромагнитной волны. Однако экстремальные значения тока проводимости и мощности электрической составляющей поля находятся в противофазе, т. е. областям разряда с локальной максимальной напряженностью поля соответствуют минимальные значения электропроводности, и на

оборот. Это состояние может быть объяснено проявлением эффекта скинирования (ослабления) поля в зависимости от локальной концентрации электронов. В тех местах, где концентрация электронов выше, эффект скинирования проявляется сильнее, и наоборот.

Рис. 1. Показания активного зонда \Л/свчзонд, электрических зондов lnp0e и термопары Тг в разряде 02 по длине реактора I: Давление кислорода р=140 Па, мощность СВЧ генератора \Л/свчген=650 Вт. \Л/Свч зонд, мВт; 1прое, мА; Тг, К; I, мм

Fig. 1. Readings of the active probe Wcвчзоне, electrical probes Inpoe and thermocouple Trin the O2 discharge along the reactor. The oxygen pressure fp=140Pa, the UHF generator power \Л/свчген=650 W

Измеренная в фиксированном положении в реакторе со стороны откачки реакционного объема двойными зондами температура электронов Те кислородной плазмы составила величину (2,5 1,0)-105 К, а концентрация электронов пе соответственно (8 9)Ю10см“ . Проведенные исследования изменения температуры электронов в зависимости от давления кислорода в реакторе показали, что температура значительно падает при увеличении давления в пределах от 40 до 200 Па.

Представленные на рис. 1 данные по изменению температуры газа по длине реактора показывают, что резких колебаний температуры в реакторе не наблюдается, за исключением места ввода газов в реакционный объем, где значение температуры является минимальным и составляет величину порядка 470 490 К. В зоне ввода электромагнитной энергии в резонирующий объем наблюдается температурное плато с превышением значений температур в диапазоне 30 70 К над практически неизменной температурой в области откачки реакционного объема. Корреляции изменений температуры разряда с показаниями «активного» и электрического зондов не наблюдалось. Отсутствие резких скачков в показаниях термопары по длине реактора может быть объяснено сглаживанием температурного поля за счет теплопередачи из более нагретых в менее нагретые области.

III.  Заключение

В результате проведенных исследований пространственного изменения локальных значений электропроводности плазмы, распределения электрической составляющей электромагнитного поля, температуры газового разряда в плазмотроне на базе резонаторной камеры с частичным заполнением плазмой резонирующего объема установлено наличие пространственной неоднородности в параметрах разряда, что обусловлено спецификой распределения СВЧ электромагнитных волн в ограниченных резонирующих объемах.

IV.  Литература

1.    Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. М., 1969.

2.    Достанко А. П., Бордусов С. В., Свадковский И. В. и др. Плазменные процессы в производстве изделий электронной техники. В 3-х т. / Под общ ред. А. П. Достанко. Т. 2. Минск, 2001.

3.    Кузьмичев А. И. II Приборы и техника эксперимента. 1994, №5. С. 176-180.

4.    Бордусов С. В. II Электронная обработка материалов. 2001. № 1(207). С. 74-76.

5.    Чернушенко А. М., Майбородин А. В. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. М., 1996.

ELECTROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF A MICROWAVE PLASMATRON BASED ON A RECTANGULAR RESONATOR IN A LOW-VACUUM AREA

Bordusov S. V.

Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics 6 P. Brovki, Minsk, Belarus, 220027 phone (8017) 2398088 e-mail: bordusov@gw.bsuir. unibel. by

Abstract The results of measuring certain electrophysical characteristics that determine the operation of a microwave plasmatron based on a rectangular resonator with a partial plasma filling of a resonating volume are reported.

Probe and thermocouple techniques have been used in the research.

Fig. 1 shows typical dependences of the variations in the values of the local distribution of a field electric component, plasma conduction and gas temperature along the reactor in oxygen plasma.

It has been established that the distribution of a microwave field and the local conduction of plasma along the discharge length have a periodic nature with alternating maxima and minima, and the variation of temperature values smoothly decreases from the area of the microwave energy input into the resonator.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты