На правах рукописи
Морозов Виктор Александрович
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ НАГРУЗОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
ДЛЯ ЁМКОСТНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАЗМЫ
Специальность
01.04.01 – «Приборы и методы экспериментальной физики»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ижевск – 2007 2
Работа выполнена в Институте прикладной механики УрО РАН
Научный руководитель: доктор физико-математических наук Михеев Геннадий Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ломаев Гелий Васильевич доктор технических наук, Захаров Владимир Анатольевич
Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»
Защита состоится « 14 » ноября 2007 г. в 1600 часов в ауд. 2 на заседании диссертационного совета Д 212.275.03 при Удмуртском государственном университете по адресу: 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу:
426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Удмуртского государственного университета.
Автореферат разослан « 12 » октября 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к. ф.-м. н., доцент П.Н. Крылов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертационная работа посвящена исследованию и моделированию высокочастотных (ВЧ) нагрузочных систем (НС) для ёмкостного возбуждения плазмы, используемых в экспериментальной физике для нанесения и травления тонких плёнок и ионно-плазменной модификации материалов.
Объект исследования система элементов ВЧ электрической цепи.
Предмет исследования методы расчёта элементов НС для ёмкостного возбуждения плазмы.
Актуальность темы. В настоящее время в промышленности, экспериментальной физике и химии проявляется большой интерес к ВЧ ёмкостным разрядам. Высокочастотный ёмкостной разряд используется в лазерной и осветительной технике для создания активной генерирующей среды; в промышленности он применяется для нанесения и травления тонких плёнок, плазменной обработки и модификации материалов, а также для синтеза и утилизации различных химических веществ. В последнее время ёмкостной ВЧ разряд используется для генерирования «неидеальной» плазмы (например, пылевой) [Л1], которая изучается не только в земных условиях с целью получения наноразмерных объектов, но и в условиях микрогравитации, где более благоприятны условия, влияющие на кристаллизацию пылевой компоненты и фазовые переходы различных типов плазмы.
Технологические процессы с применением ВЧ ёмкостной плазмы осуществляются на вакуумных установках, имеющих ВЧ системы, которые предназначены для генерирования и оптимальной передачи энергии в нагрузку. Типичная ВЧ система состоит из генератора, линии передачи энергии (ЛПЭ), цепи согласования (ЦС) и нагрузки (магнетрона или плазменного конденсатора). При этом ЦС (согласующее устройство) и нагрузка образуют НС [Л2]. В нагрузке выделяется мощность PL, равная разнице падающей Pi и отражённой Pr мощностей. ЦС должны обеспечивать выполнение условия Pr 0, что возможно, если в состав НС входит хотя бы элементарный измеритель коэффициента стоячей волны (КСВ). Однако в экспериментальных установках для осаждения тонких плёнок измерители КСВ (или аналогичные им по назначению приборы), как правило, отсутствуют [Л3,Л4].
С другой стороны анализ научной литературы показывает, что ВЧ ёмкостная плазма изучается в основном с точки зрения её технического применения;
работы по исследованию высокочастотных НС, используемых в экспериментальной физике и плазменных технологиях, с целью разработки методик их расчёта в литературе практически отсутствуют. Исключением является труд Самойлова С.А. [Л5], в котором рассмотрена задача согласования ВЧ генератора с активной средой CO2-лазера, затрагивающая проблему моделирования НС для плазменных технологий, но не решающая её.
Таким образом, изучение высокочастотных НС для экспериментальной физики и плазменных технологий, а также разработка новых методов их расчёта актуально.
Цель работы – исследование и моделирование высокочастотных НС для ёмкостного возбуждения плазмы.
В связи с этим поставлены следующие задачи:
1. Моделирование цепей согласования (П-контура, параллельного колебательного контура с неполным включением и контура с делением ВЧ мощности), используемых в НС для ёмкостного возбуждения плазмы.
2. Разработка методик расчёта схем замещения для распылительного магнетрона и плазменного конденсатора, имеющего обкладки сложной 3. Экспериментальное исследование зависимости ВЧ напряжения и постоянного смещения на распылительном магнетроне от активной 4. Исследование влияния материала покрытия на активное сопротивление проводников на высокой частоте для минимизации потерь энергии в электрических цепях НС.
5. Разработка ваттметра падающей, отражённой и активной мощностей для настройки цепи согласования ВЧ систем.
Методы исследований. В диссертации использован комплексный подход, включающий теоретические и экспериментальные методы исследований. В экспериментальных исследованиях применялись статистические методы обработки результатов экспериментов.
Достоверность результатов исследований и работоспособность созданных систем и устройств подтверждена экспериментальными исследованиями и практически выполненными разработками.
Научная новизна диссертационной работы заключается в исследовании ВЧ нагрузочных систем для ёмкостного возбуждения плазмы, применяемых для нанесения и травления тонких плёнок и модификации материалов, и включает в себя:
1. Разработку методик расчёта П-контура, параллельного колебательного контура с неполным включением, контура с делением ВЧ мощности, схем замещения распылительного магнетрона и плазменного конденсатора с обкладками сложной геометрии, поперечного сечения электрических проводников и ваттметра ВЧ мощности.
2. Определение зависимости типа возбуждаемого резонанса от величин согласуемых сопротивлений, ёмкости на выходе контура и частоты электромагнитных колебаний.
3. Определение зависимости ВЧ напряжения на распылительном магнетроне от мощности, рассеиваемой на магнетроне.
4. Установление экстремальной зависимости активного сопротивления проводника с покрытием на ВЧ от удельного сопротивления и магнитной проницаемости материалов.
Реализация и внедрение работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке высокочастотной системы установки вакуумного магнетронного напыления для ЗАО “Ижевский завод мебельной фурнитуры”.
Положения, выносимые на защиту 1. Для НС с использованием П-контура или параллельного колебательного контура с неполным включением безразмерная входная ёмкость (или индуктивность) контура зависит не от типа возбуждаемого в контуре резонанса, а от согласуемых сопротивлений, ёмкости (или индуктивности) на выходе контура и частоты электромагнитных колебаний.
2. Для НС с использованием П-контура тип возбуждаемого резонанса зависит от согласуемых сопротивлений, частоты, а также выходной ёмкости контура. Однако существует такое сочетание указанных параметров, при котором резонансные колебания в контуре не возбуждаются.
3. ВЧ напряжение на распылительном магнетроне с мишенями из кварцевого стекла, моноалюмината неодима, титана и тантала описывается функциями вида U = a PLb, где a и b – эмпирические коэффициенты, зависящие от материала мишени, индукции магнитного поля на поверхности мишени и площади контакта мишени с плазмой.
4. На зависимости активного ВЧ сопротивления проводника с проводящим покрытием от толщины существует экстремум в точке z1 ext 1/2, где 1 – глубина скин-слоя материала покрытия.
5. ВЧ ваттметры, использующие датчики тока и напряжения должны удовлетворять условию равенства сигналов датчиков тока и напряжения при отсутствии отражённой волны.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции “Актуальные проблемы аграрного сектора” (Ижевск, 1997); VI-й Российской университетско-академической научнопрактической конференции (Ижевск, 2004); Всероссийской научнопрактической конференции “Современные проблемы аграрной науки и пути их решения” (Ижевск, 2005); Всероссийской научно-практической конференции “Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве” (Ижевск, 2006); III научно-практической конференции “Проблемы механики и материаловедения” (к 15-летию ИПМ УрО РАН) (Ижевск, 2006); Международной научной конференции “75 лет высшему образованию в Удмуртии” (Ижевск, 2006); 7-й Международной конференции “Вакуумные нанотехнологии и оборудование” (Харьковская нанотехнологическая ассамблея) (Харьков, Украина, 2006); Международной научно-практической конференции “Нанотехнологии – производству - 2006” (Фрязино, 2006).
Публикации. Материалы диссертационной работы полностью отражены в научных изданиях. Общее число публикаций – 15, в том числе: статьи в рецензируемых журналах – 6; статьи в журнале, сборнике и материалах конференций – 4; информационный листок о научно-техническом достижении – 1;
тезисы докладов конференций – 4.
Личный вклад. Теоретические и экспериментальные результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и анализ результатов экспериментов проведены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 183 наименований и приложения. Диссертация изложена на 156 страницах, содержит 56 рисунков, 10 таблиц и приложение. В приложении предоставлены документы о практическом использовании результатов работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы диссертационной работы, формулировку целей и задач, описание научной новизны, практическую значимость, защищаемые положения и раскрывает структуру диссертации.
В первой главе «Высокочастотные системы для ёмкостного возбуждения плазмы» представлен обзор исследований и разработок, Рисунок 1 Структурные схемы высокочас- для ВЧ проводников [Л6]. Показатотной системы для ёмкостного возбуждения но, что методики расчёта ЦС, исплазмы[1]: 1 – ВЧ генератор, 2 и 3 – плазменпользуемые в практике расчёта соные нагрузки, 4 – фидер, 5 – устройство соглагласующих устройств ёмкостного сования, 6 – коаксиальный кабель.
возбуждения плазмы, неудовлетворительны, т.к. в них не учитывается неоднозначность возбуждаемого в резонансном контуре типа резонанса (параллельного или последовательного) и имеются существенные трудности, связанные с расчётом добротности контура, работающего на плазменную нагрузку. Рассмотрена методика расчёта ЦС, предложенная Головковым А.А. [Л7]. Методика применяется для расчёта одночастотных и двухчастотных сумматоров и делителей мощности, но она не адаптирована для расчёта ЦС нагрузочных систем ёмкостного возбуждения плазмы.
Вторая глава «Высокочастотные нагрузочные системы» состоит из трёх разделов. В первом разделе рассмотрены принципы построения НС с позиции измерения ВЧ мощности. Для этого был проведён анализ известного соотношения для импеданса Z длинной линии с постоянным волновым сопротивлением W нагруженной на цепь с импедансом ZL [2]. Анализ показал, что для них возможны следующие варианты:
1. Нагрузка согласована с ЛПЭ (ZL = W) и линия имеет произвольную длину. Тогда Z = Re Z = W, а для падающей и отражённой мощностей справедливы условия Pi = PL и Pr = 0 в любом её сечении.
2. Нагрузка не согласована с ЛПЭ (ZL W). В этом случае в различных сечениях линии, находящихся на расстоянии l = n/2 от нагрузки ( – длина электромагнитной волны в линии, n = 0, 1, 2, …) сопротивления, токи, напряжения и мощности падающей и отражённой волн будут такими же, как и на нагрузке. Таким образом, применение линии передачи энергии, имеющей длину l0 = n/2, позволяет по току и напряжению на входе линии (или на выходе) контролировать параметры нагрузки.
Анализ длинной ЛПЭ с W const показывает, что напряжения и мощности падающей и отражённой волн будут различными в разных сечениях линии, а объективным параметром является прошедшая (активная) мощность, которая не зависит от l.
Анализ короткой ЛПЭ (с l0 /600, при которой абсолютная величина разности сопротивлений линии на входе и на выходе не превышает 5% от ZL) показал, что Z ZL. То есть сопротивление короткой ЛПЭ в произвольном её сечении практически не зависит от W и равно импедансу нагрузки. Очевидно, что последнее утверждение справедливо также для линии передачи, волновое сопротивление которой зависит от l. Следовательно, в общем случае для коротких ЛПЭ U = Z L I, а токи, напряжения, мощности падающей и отражённой волн будут различными в разных сечениях линии, однако при этом PL = const.
Таким образом, для ВЧ систем (см. рисунок 1), в которых соединение генератора с устройством согласования осуществляется полуволновым кабелем с W = const, ваттметр следует устанавливать на выходе генератора или на входе согласующего устройства; для линий W const ваттметр можно устанавливать в любом сечении линии, объективно измеряя при этом активную мощность.
Во втором разделе рассмотрены НС с применением П-контура (контура третьего вида) [1,3,4], параллельного колебательного контура с неполным включением со стороны генератора (контура второго вида) и со стороны нагрузки (контура первого вида) [5,6], а также контура с делением ВЧ мощности [1].
Приведены основные положения методики расчёта П-контура (рисунок 2) [1,4]. Предположено, что в ЦС отсутствуют потери энергии (контур – бездиссипативный) и вся энергия рассеивается на сопротивлении нагрузки. Условие согласования для ЦС с нагрузкой выглядят так:
где Zin = Re Zin + i Im Zin, i – мнимая единица. Для составляющих входного импеданса НС получено:
где x = L RL, = C1 RL, = C 2 RL, x – безразмерная индуктивность, и Рисунок 2 Схема согласования радиочастотного кауравнений (1) являются беля с комплексной нагрузкой с применением Пвыражения, определяюконтура: G – генератор, C – дополнительная выходная ёмкость контура, CL – ёмкость нагрузки. Обозначения щие безразмерные индукэлементов в тексте.
xpar и последовательного xser резонансов в контуре:
где независимо от типа резонанса принимает значение Определение типа резонанса выполняется автоматически в процессе расчёта НС по формулам (2) – (4). Для этого необходимо перед корнем квадратным в (3) выбрать знак (например, плюс – параллельный резонанс). Выполнить расчёт безразмерной индуктивности x при условии, что подкоренные выражения в (3) и (4) больше или равны нулю (если это не выполняется, то необходимо увеличить ёмкость C2). Затем по формуле (2) вычислить входное сопротивление контура на резонансе. Если входное сопротивление равно заданному значению (Re Zin = W), то тип резонанса выбран правильно. Если это условие не выполняется, то в (3) необходимо изменить знак на противоположный, т.е. сменить тип резонанса, и повторить вычисления.
Далее рассмотрена область существования резонанса, показанная на рисунке 3. Соотношения (3) и (4) имеют действительные решения только в том случае, если их подкоренные выражения удовлетворяют неравенствам:
В соответствии с неравенством (5б) возможны два варианта. Для первого варианта Re Zin RL (рисунок 3а) ёмкость на выходе контура, при которой в нём возможен резонанс, должна удовлетворять условию RL Re Z in 1.
Рисунок 3 Область существования резонанса П-контура y = 2. Эта точка существузаштрихованный участок на оси ) для различных сочеет, если Re Zin 2RL (рисунтаний входного сопротивления контура и сопротивления нагрузки: а) Re Zin RL; б) Re Zin > RL.
= RL Re Z in 1 + 2. Функция, как следует из анализа совместного решения (2) и (3), определяет тип резонанса в контуре; для 0 в контуре устанавливается параллельный резонанс, а для 0 – последовательный. Используя эти условия, приходим к следующему:
1. Если Re Zin RL (рисунок 3а), то для значений в контуре возбуждается параллельный резонанс, а для значений 2. Если Re Zin > RL, то возможны два варианта. Для первого варианта Re Zin/2 RL < Re Zin (рисунок 3б кривые 1 и 3, причем кривая 1 соответствует Re Zin = 2RL). В этом случае для значений, удовлетворяющих (7), в контуре возбуждается параллельный резонанс, а для значений 0 2 RL Re Z in 1 – последовательный. Для второго варианта Re Zin > 2RL (рисунок 3б кривая 2) для любых значений выходной емкости ( 0) в контуре существует только параллельный резонанс.
Рассмотрены особенности расчёта параллельного колебательного контура с неполным включением (рисунок 4а) [5,6]. Компоненты входного импеданса НС определены в следующем виде:
где x1 = L1 RL, x2 = L2 RL и = C2 RL – безразмерные индуктивности и выходная ёмкость ЦС; x = x1 + x2. Найдено следующее решение для условия (1):
где входная индуктивность контура не зависит от типа резонанса и определяется по формуле Рисунок 4 Схема согласования цепи эквивалентно- сопротивление равно заго генератора (цепь выделена пунктиром) с активной данному значению нагрузкой с применением параллельного колебательRe Zin = Ri), то тип резо- ного контура с неполным включением: а индуктивнанса выбран правильно.
ности со стороны генератора, б ёмкости со стороны полняется, то в (9) необходимо изменить знак на противоположный, т.е. сменить тип резонанса и повторить вычисления.
При расчёте НС в соответствии с рисунком 4а по формуле (10) возможен вариант, для которого входная безразмерная индуктивность x1 больше полной безразмерной индуктивности x (x1 > x). В этом случае необходимо индуктивность L2 заменить ёмкостью C1, значение которой определяется по выражению C1 = 1 2 (L1 L ), и перейти к схемному решению, показанному на рисунке 4б.
Расчёт НС, в которой используется параллельный колебательный контур с неполным включением ёмкости со стороны генератора и индуктивности со стороны нагрузки, имеет такие же особенности, как и параллельный колебательный контур, рассмотренный ранее.
Рассмотрен расчёт ЦС с делением ВЧ мощности (рисунок 5а) [1]. Для Рисунок 5 Схема согласования коаксиального кабеля с двумя комплексными нагрузками (а) и параллельная схема замещения цепи подачи ВЧ напряжения на входе контура (б).
Обозначения элементов в тексте.
входной цепи контура вводятся обозначения: 3 = C3 RL1, L1 = CL1RL1, а входная цепь (C3, CL1 и RL1) представляется в виде эквивалентной схемы (рисунок 5б), для которой pc = C pc Rpc. В режиме идеального согласования нагрузки поглощают мощность P = Pi, но поскольку P = Uin2/W и цепи нагрузок соединены параллельно, то получаем, что мощности нагрузок равны Отсюда следует, что Rpc = PW/PL1. Далее, используя прямые и обратные преобразования параллельной и последовательной схем замещения, показано, что Ёмкость C3 определяется по выражению 3 = (1 + L1 ) ( pc L1 ). Расчёт ЦС выполняется по формулам (2) – (4), где принимается Re Z in = Rpc W (Rpc W ), если Rpc > W.
В третьем разделе разработаны методики расчёта схем замещения плазменных нагрузок [1]. Методика расчёта схемы замещения распылительного магнетрона опирается на экспериментально полученный результат зависимостей напряжений ВЧ и постоянного смещения от мощности PL, рассеиваемой на магнетроне.
Эксперименты проводились на установке «Модуль НД». Распылительное устройство установки представляло два планарных магнетрона с плоскими прямоугольными мишенями, имеющими площадь контакта с плазмой S0 = 171 см2. Для распыления использовался генератор «Источник ВЧ-5,0» с максимальной выходной мощностью 5,0 кВт, работающий на частоте 13,56 МГц и содержащий ваттметр падающей и отражённой мощностей.
Эксперименты выполнены при следующих рабочих параметрах: выходная мощность генератора от 100 Вт до 5,0 кВт, давление аргона в процессе распыления примерно 1 Па, расстояние между мишенями и подложками 6,5 см.
По результатам экспериментов методом наименьших квадратов были найдены функции, описывающие напряжения ВЧ и постоянного (отрицательного) смещения магнетрона. Они имеют следующий вид: Ui j = ai j P bij, где ai j и bi j – эмпирические коэффициенты; i – индекс материала мишени. Эти функции позволяют представить сопротивления на ВЧ (j = 1) и для постоянного смещения (j = 2) в следующем виде:
где Rij в омах, PL в ваттах; Ai j = ai j S 0 ; Bi j = 2bi j 1 ; S – площадь мишени, находящейся в контакте с плазмой, см2. Численные значения Ai j и BBi j приведены в таблице:
Материал минитного поля на Кварцевое стекло, 3 мм Моноалюминат неодима, 5 мм Эффективные значения напряжений на магнетроне (ВЧ, смещения и полное) определяются по формулам:
Параметры CL и RL параллельной схемы замещения нагрузки (см. рисунок 1), находятся по выражению (11) ( RL = Ri1 ) и формуле где C0 – ёмкость, шунтирующая зону магнетронного разряда, Сss – удельная поверхностная ёмкость плазмы (для давления 0,6 1 Па Сss 0,05 пФ/см 2 ).
«