Плазменные и ионно-пучковые технологии

Руководитель - Кралькина Елена Александровна

ЦКП к. 1-1, тел. 8(495)939-7-73

Плазменные и ионно-пучковые технологии

В настоящее время происходит бурное развитие плазменных и ионно-пучковых технологий. Плазма является активной средой газовых лазеров, источников света, плазменных панелей, ионных двигателей, позволяющих корректировать орбиту спутников связи, сварочных аппаратов, работающих на атмосферном разряде. Плазменные технологии применяются при производстве микросхем, антикоррозионных, упрочняющих, энергосберегающих, гидрофильных и гидрофобных покрытий металлов и диэлектриков, материалов, обладающих уникальными свойствами. Ведутся работы по использованию плазмы для повышения эффективности работы двигателей автомобилей и оптимизации очистки выхлопных газов. Следует подчеркнуть, что в большинстве перечисленных приложениях используется низкотемпературная плазма газового разряда, долгое время являвшаяся предметом "университетской науки". Именно большой объем фундаментальных знаний о газовом разряде позволил разработать многочисленные плазменные промышленные технологии, где требуется не только понимать, как работает то или иное устройство и/или технология, но и уметь организовать плазму с заданными свойствами.

Плазменные и ионно-пучковые технологии

Базовая вакуумная установка для легирования тонких пленок, имплантации ионов и создания наноструктурированных металлических покрытий.

Основные направлениями работы группы – исследования ВЧ разряда при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля, разработка макетов источников плазмы на его основе, разработка ионно-пучковых и плазменных технологий модификации поверхности материалов и нанесения функциональных покрытий.

Экспериментальные работы, ведущиеся в группе, осуществляются на современных установках, закупленных в рамках программы развития МГУ.

В группе разработана теоретическая модель индуктивного ВЧ источника плазмы без магнитного поля, проведено его численное моделирование, систематические экспериментальные исследования его параметров . Исследования показали, что эффективность поглощения ВЧ мощности (эквивалентное сопротивление плазмы) немонотонно зависит от плотности плазмы в силу конкуренции двух факторов: увеличения поглощения ВЧ мощности и уменьшения глубины проникновения поля в плазму (определяемое размером скин-слоя) с ростом плотности электронов.

Плазменные и ионно-пучковые технологии

Установка для исследования ВЧ разряда.

Исследована роль различных механизмов диссипации поля при изменении давления нейтрального газа При давлениях менее 1мТор преобладает черенковский механизм диссипации. Рост частоты электрон-атомных столкновений ν (при ν < ω), увеличивает роль столкновительного поглощения и значениях ν лежащих в диапазоне 3*106 – 3*107 с-1, столкновения электронов однозначно определяют эквивалентное сопротивление плазмы, которое при фиксированной плотности электронов не зависит от рода газа. При частотах столкновений более 1*108 с-1 эквивалентное сопротивление определяется емкостной составляющей разряда, влияние которой зависит от рода газа.

Емкостной канал разряда, связанный с паразитной емкостью между витками индуктора и плазмой, приводит к немонотонной зависимости концентрации и эффективной температуры электронов в области скин-слоя от давления при постоянной мощности ВЧ генератора. Концентрация электронов максимальна, а эффективная температура электронов минимальна в диапазоне давлений 0.01 – 0.1 Тор. Максимум плотности электронов наблюдается при равенстве частоты столкновений ν электронов и частоты поля ω.

В области больших давлений происходят самосогласованное уменьшение концентрации электронов, рост активного сопротивления плазмы, увеличение емкостной составляющей разряда и потока энергии, выносимой ионами на стенки. Экспериментально зарегистрировано и подтверждено в численном моделировании взаимное влияние двух каналов разряда, осуществляемое через импедансы, вносимые плазмой и слоями пространственного заряда.

Плазменные и ионно-пучковые технологии Плазменные и ионно-пучковые технологии

Исследованы характеристики гибридного разряда в котором организовано два параллельных канала ввода ВЧ мощности – индуктивный и емкостной, причем соотношение между каналами регулируется с помощью разделительной емкости, включенной в емкостную ветвь разряда. Показано, что изменение величины разделительной емкости позволяет плавно управлять плотностью плазмы и потенциалом активного электрода.

Проведены численное моделирование, экспериментальные исследования и построена теоретическая модель индуктивного ВЧ разряда в магнитном поле. Исследования показали, что разряд поддерживается геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровскими волнами. Область существования объемных волн сужается при уменьшении длины источника плазмы и с ростом давления рабочего газа.

В тех случаях, когда разряд поддерживается объемными волнами, зависимость эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой (эквивалентного сопротивления плазмы) от величины магнитного поля немонотонна. Локальные максимумы эквивалентного сопротивления соответствуют областям резонансного возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн.

Передача ВЧ мощности в плазму при давлениях менее 10 мТор определяется главным образом поглощением квазипродольной волны, доминирующим механизмом диссипации будет бесстолкновительное черенковское поглощение. Рост частоты столкновений приводит к сглаживанию зависимости эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля и понижению абсолютных значений эквивалентного сопротивления. Показано, что с ростом частоты столкновений амплитуда квазипродольной косой ленгмюровской волны понижается, и ее ВЧ поля перестают проникать в объем плазмы, в то время как амплитуда и проникновение геликона в плазму не изменяются.

Экспериментальные исследования и численные расчеты, выполненные на основании разработанных теоретических моделей разряда, показали, что при условиях, когда эквивалентное сопротивление плазмы меньше или порядка эффективного сопротивления антенны, происходит самосогласованное перераспределение мощности между плазмой и активным сопротивлением внешней цепи, которое проявляется:

Экспериментальные исследования, выполненные в двухкамерном технологическом ВЧ источнике плазмы, показали, что при превышении порогового значения индукции внешнего магнитного поля, уменьшающегося с ростом рабочей частоты, и использовании металлического разделительного фланца в источнике плазмы возбуждается частично стоячая волна. Профиль амплитуды и фазы ВЧ волны указывает на наличие отраженных волны от нижнего фланца и области неоднородности концентрации электронов в области сочленения газоразрядной и технологической камер. В случае использования однородного магнитного поля при давлениях, когда длина свободного пробега электронов превышает геометрические размеры источника плазмы, увеличение индукции магнитного поля позволяет повысить концентрацию электронов в технологической камере, причем на рабочих частотах 4 и 13.56МГц она становится выше, чем в газоразрядной камере.

Эффект аксиального перераспределения плотности плазмы с ростом ин-дукции магнитного поля вызван самосогласованным действием следующих факторов:

Наибольшие значения плотности плазмы в технологической камере получены при рабочей частоте 4МГц.

Показано, что при давлениях выше 10 мТор лучше использовать индуктивный разряд без магнитного поля, в котором превалирует столкновительный механизм поглощения ВЧ мощности. Понижение давления и роли столкновительных механизмов поглощения ВЧ мощности приводят к необходимости усиления бесстолкновительного поглощения ВЧ мощности, что в области низких концентраций электронов возможно при условии ЭЦР, а в области более высоких концентраций – при возбуждении объемных геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. В области низких давлений ВЧ мощность лучше вкладывается в источники большого радиуса. Повысить эффективность ввода ВЧ мощности в источники малого радиуса возможно при увеличении длины источника или при увеличении рабочей частоты.

В последние годы в группе начато изучение емкостного ВЧ разряда, помещенного во внешнее магнитное поле с преимущественной радиальной компонентой. Геометрия источника плазмы близка к геометрии ускорителя с замкнутым дрейфом электронов. Достоинством устройства, работающего на емкостном ВЧ разряде, является отсутствие катода, снижающего ресурс устройства. К настоящему времени показано, что в области локализации радиального магнитного поля также как и в ускорителе возникает азимутальный дрейф электронов, который приводит к значительному росту концентрации электронов. На выходе из разряда зафиксирован ускоренный пучок ионов, который может быть использован для обеспечения тяги в космических приложениях.

Разработаны прототипы источников плазмы для космических и наземных технологий, – технологическая гибридная система для нанесения сложных функциональных покрытий и протяженный атмосферный ВЧ разряд для чистки и поверхностной модификации материалов.

Разработаны ионно-пучковая и плазменные технологии поверхностной модификации полиимида и фторопласта, позволяющие существенно увеличить их адгезионные свойства.

Разработана плазменная технология нанесения гидрофильных покрытий на поверхность материалов, применение которой улучшает энергетическую эффективность теплообменников кондиционеров не менее, чем на 25%.

Коллектив лаборатории
Кралькина Елена Александровна д.ф.-м.н., в.н.с.
Неклюдова Полина Алексеевна к.ф.-м.н., м.н.с.
Вавилин Константин Викторович к.ф.-м.н., вед.инж.
Задириев Илья Игоревич к.ф.-м.н., инж.
Калинин Алексей Владимирович физик
Артемьева Маргарита Витальевна бакалавр
Косарев Андрей Владимирович бакалавр
Мержвинский Дмитрий Петрович бакалавр