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.