Бордусов С. В. Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки Білорусь, 220027, Мінськ, П. Бровки, 6 E-mail: Bordusov@gw.bsuir. unibel.by


Анотація Представлені результати вимірювань деяких електрофізичних характеристик, що визначають роботу СВЧ плазмотрона на базі резонатора прямокутної форми з частковим заповненням плазмою резонуючого обсягу. Встановлено, що розподіл НВЧ поля та локальної електропровідності плазми по довжині розрядної області носять періодичний характер з чергуються максимумами і мінімумами, а зміна значень температури плавно зменшується від місця введення СВЧ енергії в резонатор.

I. Вступ

У зв’язку з вимогою підвищення ефективності промислового виробництва мікроелектронних пристроїв актуальною є задача розробки плазмових джерел, що забезпечують проведення процесів на оброблюваних поверхнях великої площі і з високими технологічними характеристиками. Цим вимогам відповідають СВЧ плазмові розряди.

Так як ефективність процесів плазмообразование і підтримки стабільного газового розряду в значній мірі пов’язана з величиною напруженості електричної складової електромагнітного поля ЕЕФФ в зоні розряду [1], то особливий інтерес представляють СВЧ плазмотрони типу резонатора, в яких значне зростання напруженості поля електромагнітної хвилі в зоні плазмообразование забезпечується не підвищенням потужності джерела НВЧ енергії, а за рахунок конструктивних рішень системи формування СВЧ поля [2].

В даний час СВЧ пристрої типу резонатора з характерним розміром розрядної області, що перевищує довжину збудливою плазму електромагнітної хвилі, вивчені недостатньо повно, а відомі технічні рішення установок типу резонатора [3, 4] вимагають всебічного дослідження для удосконалення та оптимізації їх конструктивного рішення, розробки інженерних методів розрахунку конструктивних елементів розрядних вузлів і вироблення науково обгрунтованих рекомендацій щодо їх застосування в процесах вакуумної плазмової обробки матеріалів.

II. Основна частина

Проводилися дослідження локальних електрофізичних характеристик плазми газового розряду в розрядному пристрої [4], на базі резонатора прямокутної форми. Плазмовий розряд запалювався в циліндричній кварцовою трубі з зовнішнім діаметром 200 мм і довжиною 310 мм, розташованої в центрі прямокутного резонатора з внутрішніми розмірами 345x250x380 мм уздовж поздовжніх сторін резонатора. Як джерело електромагнітних СВЧ коливань використовувався магнетрон М

– 105, що має вихідну потужність на узгоджену навантаження до 600 Вт і генерує коливання на частоті f = 2,45 ГГц. Коливання поступали в резонатор через прямокутний отвір зв’язку, розташоване своєї довгою стороною вздовж резонуючих стінок.

Методами дослідження обрані зондовий і термопарний. Вимірювання локального розподілу електричної складової поля по довжині реактора проводилися з використанням «активного» зонда, що представляє собою відрізок центрального внутрішнього провідника гнучкого коаксіального кабелю з хвильовим опором 50 Ом, зовнішній провідник якого виконаний з мідного трубки, а внутрішній з одножильного мідного дроту діаметром 1,4 мм, що виступає на 5 мм із зовнішньої екрануючої оболонки, що багато менше довжини хвилі досліджуваних коливань [5]. Від впливів плазми зонд був захищений фторопластовим ковпачком і кварцовим чохлом. Величина наводяться на зонді СВЧ сигналу пропорційна амплітуді складової електричного поля, спрямованого уздовж зонда.

Локальні вимірювання електропровідності плазми проводились зондами, виконаними у вигляді плоских електродів з нержавіючої сталі, розташованих на фіксованій відстані один від одного.

Температура і концентрація електронів вимірювалися подвійними зондами з молібденового дроту діаметром 0,16 мм, запаяними в капіляр з молібденового скла та ізольованими один від одного.

Температура важких частинок газового розряду вимірювалася хромель-Копелева термопарами, поміщеними в капіляр з молібденового скла з заскловування місця спаю. Зондові вимірювальні ланцюга ретельно екранувати. Газова температура плазми визначалася в точці закінчення росту температури.

Як плазмообразующих середовищ використовувалися повітря, кисень і аргон.

На рис. 1 наведено типові залежності зміни значень локального розподілу електричної складової поля, електропровідності плазми і температури газу вздовж довжини реактора в плазмі кисню. Вид зміни кривих, представлених на малюнку, характерний і для плазми повітря і аргону, і ілюструє стійку форму нерівномірності розподілу щільності НВЧ потужності в обсязі розрядної зони. Показання «активного» зонда і електричних зондів, що вимірюють струм провідності плазми, по довжині розрядної камери носять періодичний характер з періодом чергування максимумів і мінімумів приблизно 70 мм, що трохи перевищує половину довжини збудливої ​​плазму електромагнітної хвилі. Однак екстремальні значення струму провідності та потужності електричної складової поля знаходяться в протифазі, тобто областям розряду з локальної максимальної напруженістю поля відповідають мінімальні значення електропровідності, і на

оборот. Цей стан може бути пояснено проявом ефекту скінірованія (ослаблення) поля в залежності від локальної концентрації електронів. У тих місцях, де концентрація електронів вище, ефект скінірованія проявляється сильніше, і навпаки.

Рис. 1. Показання активного зонда \ Л / свчзонд, електричних зондів lnp0e і термопари Тг в розряді 02 по довжині реактора I: Тиск кисню р = 140 Па, потужність СВЧ генератора \ Л / свчген = 650 Вт \ Л /Звч 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

Виміряна у фіксованому положенні в реакторі з боку відкачування реакційного об’єму подвійними зондами температура електронів Те кисневої плазми склала величину (2,5 1,0) -105 К, а концентрація електронів пе відповідно (8 9) Ю10см “. Проведені дослідження зміни температури електронів в залежності від тиску кисню в реакторі показали, що температура значно падає при збільшенні тиску в межах від 40 до 200 Па.

Представлені на рис. 1 дані щодо зміни температури газу по довжині реактора показують, що різких коливань температури в реакторі не спостерігається, за винятком місця введення газів в реакційний об’єм, де значення температури є мінімальним і складає величину порядку 470 490 К. У зоні введення електромагнітної енергії в резонуючий обсяг спостерігається температурне плато з перевищенням значень температур в діапазоні 30 70 До над практично незмінною температурою в області відкачування реакційного об’єму. Кореляції змін температури розряду з показаннями «активного» і електричного зондів не спостерігалося. Відсутність різких стрибків в показаннях термопари по довжині реактора може бути пояснено згладжуванням температурного поля за рахунок теплопередачі з більш нагрітих в менш нагріті області.

III. Висновок

В результаті проведених досліджень просторового зміни локальних значень електропровідності плазми, розподілу електричної складової електромагнітного поля, температури газового розряду в плазмотроне на базі резонатора камери з частковим заповненням плазмою резонуючого обсягу встановлена ​​наявність просторової неоднорідності в параметрах розряду, що зумовлено специфікою розподілу СВЧ електромагнітних хвиль в обмежених резонуючих обсягах.

IV. Література

1. Мак-Доналд А. Надвисокочастотний пробій в газах. М., 1969.

2. Достанко А. П., Бордусов С. В., Свадковський І. В. та ін Плазмові процеси у виробництві виробів електронної техніки. У 3-х т. / За заг ред. А. П. Достанко. Т. 2. Мінськ, 2001.

3. Кузьмічов А. І. II Прилади й техніка експерименту. 1994, № 5. С. 176-180.

4. Бордусов С. В. II Електронна обробка матеріалів. 2001. № 1 (207). С. 74-76.

5. Чернушенко А. М., Майбородін А. В. Вимірювання параметрів електронних приладів дециметрового і сантиметрового діапазонів хвиль. 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.