Физика плазмы, 2022, T. 48, № 2, стр. 116-120

1. ВВЕДЕНИЕ

Использование механизма ЭЦР позволяет получить плотную плазму с высокой степенью ионизации при низком давлении, обеспечивая при этом высокий коэффициент передачи СВЧ-энергии в рабочий объем. ЭЦР-разряды возбуждаются и поддерживаются без использования внутренних электродов, а потому находят широкое применение в различных технологиях плазменной обработки материалов [1–4] и источниках ионов [5, 6]. Поскольку максимальный энерговклад обеспечивается электродинамикой выбранного типа колебаний, необходимо точное понимание структуры образующихся в СВЧ-резонаторе электромагнитных полей, которая определяется, в первую очередь, линейными размерами резонатора. В некоторых случаях конструкции резонаторов позволяют реализовать одновременное возбуждение нескольких мод колебаний [5, 7]. Возникновение плазмы приводит к изменению электромагнитных свойств резонатора, что может проявляться в сдвиге резонансной частоты, исчезновении некоторых мод, присутствующих в ненагруженном резонаторе, или, наоборот, появлении мод, существующих исключительно при наличии плазмы [8]. Кроме того, на параметры разряда существенно влияет давление плазмообразующего газа: при реализации режима с закритическим значением плотности электронов, который активно исследуется в рамках задач по повышению плотности выходного тока источников ионов [9], может происходить отсечка падающей волны и изменение механизма нагрева плазмы.

В исследуемом разряде в зеркальной магнитной ловушке пробочного типа генерируется сильно неравновесная анизотропная низкотемпературная плазма [10]. Линейные размеры резонатора предполагают в ненагруженном состоянии возможность появления двух мод: Е₀₁₀ и Н₁₁₁. Наличие градиента плотности и неоднородного магнитного поля делают распространение СВЧ-волны и поглощение ее энергии в разрядах такого типа непредсказуемым. При этом взаимодействие падающей волны с плазмой главным образом определяется концентрацией электронов в разряде.

При концентрациях электронов ниже критических основным механизмом передачи энергии СВЧ-волны к электронам разряда исследуемой конфигурации будет ЭЦР. Размер и положение области ЭЦР при фиксированном значении частоты падающей СВЧ-волны определяется распределением магнитного поля. В силу конструкции резонатора подводимая СВЧ-волна распространяется поперек магнитного поля и, соответственно, может быть классифицирована по типу поляризации. Если вектор электрического поля падающей волны будет перпендикулярен линиям магнитной индукции ($\vec {E} \bot \vec {B}$), волна называется необыкновенной. Данному условию в исследуемом резонаторе удовлетворяет мода Н₁₁₁. Если линии напряженности электрического поля параллельны линиям магнитного поля ($\vec {E}||\vec {B}$), что соответствует моде Е₀₁₀, то волна будет обыкновенной. В силу своей поляризации необыкновенная волна может взаимодействовать лишь с поперечной компонентой импульса электронов, а обыкновенная – с продольной.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ

Экспериментальная установка (рис. 1) представляет собой осесимметричную систему, в которой цилиндрический резонатор высотой 8.5 см и радиусом 6.5 см помещен в магнитное поле классического пробкотрона. Плазма формируется в кварцевой колбе, установленной в резонаторе соосно. Резонатор возбуждается в импульсном режиме на частоте 2.45 ГГц от магнетронного генератора посредством дифракционной связи. СВЧ-мощность подводится через прямоугольный одномодовый (H₁₀) волновод, соединенный с боковой стенкой резонатора через вертикальное щелевое отверстие связи, что обеспечивает распространение подводимой СВЧ-волны линейной поляризации поперек линий магнитного поля. Используемые в экспериментах длительность импульса 2 мс и период 10 мс являются достаточными для восстановления электрической прочности разрядного промежутка за время паузы [11, 12]. СВЧ-тракт снабжен направленным ответвителем и циркулятором с детекторными головками с квадратичными детекторами для мониторинга подводимой и отраженной мощности. Стационарное магнитное поле пробочной конфигурации создается постоянными магнитами (SmCo₆) с системой магнитного замыкания. Условиям ЭЦР соответствует поле 875 Гс, при этом величина магнитной индукции в геометрическом центре ловушки изменяется в пределах 660–1050 Гс. ЭЦР-поверхности при этом либо принимают форму двухполосного гиперболоида и смещаются к пробкам ловушки, либо в форме параболоидов двигаются к боковой поверхности СВЧ-резонатора. Пробочное отношение в пределах кварцевой колбы изменялось в диапазоне R = 1.24–1.41. Система откачки состоит из двух форвакуумных и одного диффузионного насоса и позволяет поддерживать фоновое давление не хуже 1 × 10^–5 Торр. Плазмообразующий газ – аргон.

Рис. 1.

Экспериментальная установка и системы диагностики.

Экспериментальный стенд оснащен приборами для применения следующих типов диагностики – оптической эмиссионной спектроскопии: монохроматор-спектрограф MS3504i; интегральных измерений светового потока: люксметр Т-КА‑ПКМ С051 (380–760 нм, погрешность ±8.0%); зондовой диагностики по методу двойного зонда Ленгмюра: молибденовая проволока диаметром 0.4 мм, длина открытой поверхности – 3.5 мм, расстояние между зондами – 1.6 мм [12]. Световод монохроматора и детекторы интегрального светового потока пристыковываются к вакуумно-плотным окнам с увиолевыми стеклами и регистрируют излучение в направлении, перпендикулярном боковой поверхности резонатора с расстояния 5 см соответственно.

В боковой стенке резонатора на глубину ~0.5 см введена диагностическая петлевая антенна. При проведении экспериментов плоскость петли устанавливается либо перпендикулярно линиям магнитной индукции мод типа E, либо мод H-типа. Линейные размеры резонатора, используемого для генерации плазмы, предполагают в ненагруженном режиме существование только двух мод Е₀₁₀ и Н₁₁₁ (табл. 1). Как показано в [8], при генерации плазмы резонансная частота мод может смещаться. Поскольку резонансная частота следующих после Н₁₁₁ мод (особенно E₀₁₁) близка рабочей частоте магнетрона, нельзя исключать возможность их возникновения. Таким образом, в резонаторе при поддержании разряда возможно существование как мод Н-типа, так и Е-типа. Для однозначного определения типа мод, существующих в резонаторе при наличии разряда, требуются дополнительные измерения.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведенные ранее [10] исследования позволили выделить несколько характерных режимов генерации разряда в зависимости от давления плазмообразующего газа, которые отличаются световым потоком, спектральным составом излучения, температурой и концентрацией электронов. Основные характеристики данных режимов представлены в табл. 2.

Выделенные ранее режимы хорошо прослеживаются на сигнале c диагностической петлевой антенны (рис. 2, диапазоны давлений, соответствующие табл. 2 выделены пунктиром). При фоновом давлении в отсутствии разряда антенна регистрирует сигнал, соответствующий моде H₁₁₁. При повороте петли в перпендикулярное положение, соответствующее моде типа Е, сигнал на антенне полностью отсутствует. При изменении давления в широком диапазоне значений, наблюдаются существенные изменения в сигнале петлевой антенны как в положении, соответствующем сигналу мод типа Н, так и при регистрации в строго перпендикулярном положении, соответствующем мод типа Е. Таким образом, появление плазмы изменяет электромагнитные свойства резонатора и в широком диапазоне давлений картина электромагнитного поля на рабочей частоте не сохраняется.

Рис. 2.

Освещенность и сигнал петлевой антенны характерный для мод типа Н от давления плазмообразующего газа.

Первоначальный пробой газа происходит на давлении ~8 × 10^–5 Торр. Пробой фиксируется визуально, но в регистрируемых параметрах разряда (падающей и отраженной мощности, сигнала с антенны) изменений не происходит. Яркости разряда при этом недостаточно для получения сигнала на люксметре или фотодиоде. Измерение температуры и концентрации электронов по методу двойного зонда так же затруднено низким уровнем сигнала. Как было показано в [10], в спектре разряда в данном диапазоне давлений преобладают линии ионной компоненты. Грубая оценка по интенсивностям ионных линий 488.0 и 476.5 нм [13] дает температуру электронов ~20 эВ, что соответствует длине свободного пробега электрона на порядок большей линейных размеров резонатора. Стабильный уровень сигнала на антенне для моды Н₁₁₁ (рис. 2), полное отсутствие сигнала, характерного для моды типа Е (рис. 3), высокая температура электронов и большая длина свободного пробега свидетельствует о реализации классического ЭЦР-разряда.

Рис. 3.

Освещенность и сигнал петлевой антенны характерный для мод типа Е от давления плазмообразующего газа.

На давлении 2 × 10^–4 Торр возникает сигнал, характерный для моды E-типа и быстро достигает уровня сигнала моды Н₁₁₁. В данном диапазоне давлений визуально наблюдается мерцание разряда, которое хорошо отображено на сигнале петлевой антенны (на сигнале люксметра данный эффект не проявляется из-за усреднения сигнала по множеству импульсов). При достижении давления 4 × 10^–4 Торр, происходит резкое, скачкообразное возрастание светового потока. При этом уменьшается температура электронов – при появление второй моды температура электронов снижается до 5 эВ.

На давлении 1 × 10^–3 Торр сигнал, соответствующий моде типа E снижается, а характерный для мод Н-типа, вновь начинает преобладать, что сопровождается ростом концентрации электронов до 5 × 10¹⁰ см^–3.

После достижения давления 5 × 10^–3 Торр сигнал с антенны пропадает, что согласуется с полученным ранее закритическим значением концентрации электронов (7.5 × 10¹⁰ см^–3) для рабочей частоты магнетрона [10]. На давлении 3 × 10^–2 Торр на петлевой антенне вновь регистрируется сигнал, характерный для моды типа Е и Н, но он в 8 раз меньше, чем регистрируемый на низких давлениях. Температура электронов при давлении больше 5 × 10^–3 Торр снижается до 2 эВ, а в спектре разряда ионные линии становятся не различимы на уровне шума.

Для оценки влияния расположения ЭЦР-поверхностей на поддержание разряда были проведены исследования влияния изменения индукции магнитного поля на генерируемую разрядом освещенность в широком диапазоне значений в центре резонатора: от 660 до 1000 Гс (рис. 4). Видно, что на давлении <5 × 10^–3 Торр при минимальной величине магнитного поля в отсутствии ЭЦР-поверхностей внутри кварцевой колбы, разряд не поддерживается, что подтверждает реализацию в нижнем диапазоне давлений механизма ЭЦР.

Рис. 4.

Зависимость освещенности, генерируемой плазмой разряда, от давления плазмообразующего газа при различных значениях магнитной индукции в центре ловушки.

При достижении концентрации электронов, критической для обыкновенной волны, на давлении 5 × 10^–3 Торр и до давления 2 × 10^–2 Торр расположение ЭЦР-поверхностей перестает влиять на величину генерируемой разрядом освещенности. Даже при минимальном значении индукции магнитного поля 660 Гс, при котором внутри кварцевой колбы отсутствуют ЭЦР-поверхности, значение освещенности не отличается от сигнала при резонансном значении магнитного поля (875 Гс). При этом не меняется и процент поглощенной мощности. Учитывая отсутствие влияния магнитного поля на характеристики разряда на давлении от 5 × 10^–3 Торр до 2 × 10^–2 Торр, низкую температуру электронов, а также близость частот электрон-электронных и электрон-нейтральных столкновений, можно сделать вывод, что в данном диапазоне давлений механизм ЭЦР не является основным способом нагрева, а происходит линейная трансформация падающих извне СВЧ-волн в плазменные, которые затем поглощаются [14].

При давлении >2 × 10^–2 Торр расположение ЭЦР-поверхностей вновь начинает оказывать влияние на изменение светового потока. Разница в величине освещенности в случае отсутствия ЭЦР-поверхностей внутри области поддержания разряда и их наличием составляет ~15%. При этом на петлевой антенне отчетливо фиксируется сигнал, характерный для мод типа Е и Н. Регистрируемое влияние магнитного поля на параметры разряда позволяет предположить, что изменение в генерируемом световом потоке связано с резонансным характером взаимодействия данной волны с плазмой.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование многомодового резонатора для поддержания ЭЦР-разряда приводит к нелинейному изменению параметров плазмы от давления плазмообразующего газа. На низких давлениях в резонаторе регистрируется мода Н₁₁₁ и поддерживается классический режим ЭЦР. При возникновении дополнительной моды, имеющей компоненту электрического поля, направленную параллельно линиям магнитной индукции, освещенность, генерируемая разрядом, скачкообразно изменяется, а температура электронов и процент поглощенной мощности снижаются. При достижении критического значения концентрации электронов на давлении 5 × 10^–3 Торр электромагнитная волна перестает проникать в плазму, но тем не менее на давлении >2 × 10^–2 Торр вновь фиксируется электромагнитное поле падающей СВЧ-волны, а параметры разряда начинают реагировать на перестройку магнитного поля.

Таким образом, при генерации плазмы в многомодовом резонаторе, помещенном в зеркальную магнитную ловушку пробочного типа, существуют характерные значения давления, на которых параметры разряда изменяются резко, и диапазоны давлений, для которых характерно плавное изменение параметров разряда, что необходимо учитывать при разработке СВЧ-устройств, работающих на основе электронно-циклотронного резонанса.