Estimation of erosion phenomena within helicon plasma sources through a steady-state explicit analytical model

Abstract

Abstract. Helicon plasma sources produce high-density discharges without the need of electrodes in direct contact with the plasma, which is thought to provide them with long operational lifetimes. An explicit steady-state analytical model is described with the capability of depicting the 2D plasma density distribution, the sheath potentials and the estimated sputtering and etch rates along the plasma-facing components of the source. The individual constituting submodels are fitted against available experimental data, and the model is used to predict erosion rates within the VX-CR research helicon plasma source. Erosion within these components is dependent on the value of plasma density along the boundaries, the electron temperature and the particular ion-target material combination. The highest erosion rates are found along the upstream system boundary, followed by the regions near the helicon antenna straps where a capacitive RF sheath is formed. The assumptions and limitations of the model are discussed, and future improvements are proposed.

Resumen. Las fuentes de plasma Helicon producen descargas de alta densidad sin necesidad de electrodos en contacto directo con el plasma, lo que se cree que les proporciona una larga vida útil. Se describe un modelo analítico explícito de estado estacionario con la capacidad de representar la distribución de densidad del plasma 2D, los potenciales de vaina y las tasas estimadas de pulverización y grabado a lo largo de los componentes de la fuente orientados al plasma. Los submodelos individuales que lo constituyen se ajustan a los datos experimentales disponibles y el modelo se utiliza para predecir las tasas de erosión dentro de la fuente de plasma de helicón de investigación VX-CR. La erosión dentro de estos componentes depende del valor de la densidad del plasma a lo largo de los límites, la temperatura de los electrones y la combinación particular de iones y materiales objetivo. Las tasas de erosión más altas se encuentran a lo largo del límite del sistema aguas arriba, seguidas por las regiones cercanas a las correas de la antena helicón donde se forma una cubierta de RF capacitiva. Se discuten los supuestos y limitaciones del modelo y se proponen mejoras futuras.