Автореферат диссертации (Исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с неоднородной поверхностью электродов в газоразрядных приборах)

УДК 538.971На правах рукописиЙе Наинг ТунИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙПЛАЗМЫ С НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОДОВВ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРАХСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква – 2015Работа выполнена в Калужском филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессиональногообразования «Московский государственный технический университет имениН.Э. Баумана»Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорКристя Владимир ИвановичОфициальные оппоненты: Волков Степан Степанович,доктор физико-математических наук, профессор,ФГБОУ ВПО «Рязанский государственныйрадиотехнический университет», профессоркафедры электронных приборов;Волков Николай Викторович,кандидат технических наук, доцент,ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт», доцент кафедрыфизических проблем материаловедения.Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноенаучное учреждение «Научно-исследовательскийинститут перспективных материалов и технологий».Защита состоится « 23 » декабря 2015 г.

в 14 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВПО«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» по адресу: 248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, МГТУ имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» и насайтах www.bmstu.ru, www.bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан «» _____________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, доцентЛоскутов Сергей АлександровичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. В настоящее время в различных областях человеческой деятельности используются газоразрядные приборы. Они разделяются на приборы тлеющего разряда (такие как плазменные дисплеи, газовые лазеры) и приборы дугового разряда (например, осветительные лампы).В приборах тлеющего разряда после приложения напряжения между электродами происходит пробой рабочего газа и зажигается тлеющий разряд, который и поддерживается в течение всего времени их работы.

В тлеющем разряде катодное падение напряжения составляет 100-200 В, а основным механизмом эмиссии с катода электронов, необходимых для поддержания разряда, является ионно-электронная эмиссия. В приборах же дугового разрядасначала также зажигается тлеющий разряд, а через некоторое время температура катода в результате его нагрева потоком тепла, поступающего из разряда, достигает значений, при которых возможна термоэлектронная эмиссия, иразряд переходит в дуговой с катодным падением напряжения 10-20 В. Срокслужбы таких приборов в значительной степени ограничивается процессомраспыления катода ионами, ускоряющимися в катодном слое тлеющего разряда, и быстрыми атомами, образующимися при резонансной перезарядкебыстрых ионов на атомах газа, причем этот механизм является основным идля приборов дугового разряда, так как их долговечность в непрерывном режиме работы существенно больше, чем в режиме периодических включений– выключений.

Тлеющий разряд используется также в электронике для травления микроструктур и напыления тонких пленок, поскольку плазменныетехнологии имеют ряд преимуществ перед ионно-пучковыми.Для усовершенствования указанных приборов и технологий необходимо понимание физических процессов, протекающих в катодном слое тлеющего разряда и на поверхности катода. Однако до настоящего времени остаются недостаточно изученными ряд вопросов, связанных с исследованиемвлияния рельефа поверхности катода и наличия на ней диэлектрических пленок на процессы, протекающие в катодном слое, и, в частности, на распыление катода, в значительной степени влияющее на его долговечность в приборе.

Это определяет актуальность данной работы, а также ее значение для физики взаимодействия газоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела ифизической электроники.Целью диссертационной работы являлось исследование методамиматематического моделирования взаимодействия низкотемпературной плазмы и катода газоразрядного прибора при наличии на нем тонкой диэлектрической пленки, а также периодического поверхностного рельефа малой амплитуды.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующиезадачи:- построение стационарной модели катодного слоя тлеющего разрядапри наличии на катоде тонкой диэлектрической пленки и исследование еевлияния на характеристики разряда;1- создание нестационарной модели, описывающей динамику нагревакатода, поверхность которого покрыта диэлектрической пленкой, и изучениевлияния пленки на переход тлеющего разряда в дуговой;- нахождение энергетических спектров бомбардирующих катод ионов иатомов при наличии на нем периодического рельефа малой амплитуды иоценка его влияния на эффективный коэффициент распыления катода и степень неоднородности его распыления в разряде;- исследование неоднородности потоков ионов, бомбардирующих катод, и распыленных с катода атомов при наличии на нем тонкой диэлектрической пленки переменной толщины.Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:1.

Разработана модель катодного слоя тлеющего разряда при наличиина катоде тонкой диэлектрической пленки, учитывающая полевую электронную эмиссию из металлической подложки катода; показано, что полеваяэмиссия может приводить к существенному снижению катодного падениянапряжения разряда, а следовательно, к уменьшению энергий бомбардирующих катод частиц и эффективного коэффициента распыления материала катода в разряде.2.

Исследовано влияние диэлектрической пленки на температурныйрежим катода в разряде и установлено, что она обусловливает более интенсивный его разогрев вследствие увеличения плотности разрядного тока и более быстрый переход разряда в дуговую форму.3. Рассчитаны распределения плотностей потоков ионов и быстрыхатомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потокараспыленных атомов вдоль искривленной поверхности металлического катода в тлеющем разряде; подтверждено, что эффективный коэффициент распыления катода имеет минимальную величину на вершинах рельефа из-за преимущественной фокусировки на них низкоэнергетичных ионов, плотность жепотока атомов, распыленных с поверхности катода, достигает на вершинахрельефа максимального значения вследствие большей плотности потокабомбардирующих их частиц.4.

Установлено, что основной вклад в неоднородность распыления катода с поверхностным рельефом в тлеющем разряде вносит неоднородностьионного потока, а вклад неоднородности потока быстрых атомов мал и может не приниматься во внимание, если ширина катодного слоя разряда существенно превосходит поперечные размеры элементов рельефа.5. Рассчитаны распределения плотностей потоков ионов и быстрыхатомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потокараспыленных атомов вдоль катода с диэлектрической пленкой переменнойтолщины; показано, что бомбардирующий ее в разряде ионный поток максимален на участках с наименьшей толщиной пленки, а эффективный коэффициент распыления принимает на них минимальные значения в результате того, что на них преимущественно фокусируются ионы с малыми энергиями;поток же распыленных атомов с участков пленки с ее наименьшей толщинойимеет наибольшую величину вследствие большей плотности бомбардирую2щего их ионного потока, что должно приводить к увеличению неравномерности толщины пленки в процессе ее распыления и к образованию в ней порс течением времени.Теоретическая и практическая значимость работы определяетсятем, что результаты, полученные при ее выполнении, вносят существенныйвклад в понимание процессов, протекающих при взаимодействии низкотемпературной плазмы с поверхностью катода газоразрядного прибора приналичии на ней рельефа и диэлектрических оксидных пленок.

Они могутбыть использованы для:- изучения влияния неоднородности поверхности катода на характеристики катодного слоя разряда, определяющие интенсивность ее распыления;- выбора оптимального рельефа поверхности катода, снижающего интенсивность его распыления при различных разрядных режимах;- оптимизации процесса нагрева катода в тлеющем разряде с цельюускорения его перехода в дуговую форму в приборах дугового разряда.Методология и методы исследования.

Экспериментальное исследование физических процессов, протекающих в катодном слое тлеющего разряда и на поверхности катода, во многих случаях затруднительно, посколькутолщина катодного слоя при достаточно высоких давлениях газа может составлять доли миллиметра. Поэтому в данной диссертационной работе в качестве основного метода исследования использован метод математическогомоделирования, который позволяет детально изучить распределение изучаемых характеристик разряда в пространстве и во времени, а также их взаимосвязь.Основные положения и результаты, выносимые на защиту:1. Модель катодного слоя тлеющего разряда при наличии на катодетонкой диэлектрической пленки и результаты расчетов на основе этой модели, показывающие, что полевая эмиссия электронов из металлической подложки катода может приводить к существенному уменьшению энергий бомбардирующих катод частиц и эффективного коэффициента распыления материала катода в разряде.2.

Модель, описывающая динамику разогрева катода с поверхностнойдиэлектрической пленкой в тлеющем разряде; вывод о том, что диэлектрическая пленка может обеспечивать более быстрый переход тлеющего разряда вдуговой.3. Рассчитанные распределения плотностей потоков ионов и быстрыхатомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потокараспыленных атомов вдоль искривленной поверхности металлического катода в тлеющем разряде; вывод о том, что эффективный коэффициент распыления металлического катода с поверхностным рельефом имеет минимальную величину на вершинах рельефа из-за преимущественной фокусировки наних низкоэнергетичных ионов, плотность же потока атомов, распыленных с3поверхности катода, достигает на вершинах рельефа максимального значениявследствие большей плотности потока бомбардирующих их частиц.4.

Рассчитанные распределения плотностей потоков ионов и быстрыхатомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потокараспыленных атомов вдоль диэлектрической пленки переменной толщины наповерхности катода; вывод о том, что эффективный коэффициент распыления катода с поверхностной диэлектрической пленкой переменной толщиныпринимает на участках с наименьшей толщиной пленки минимальные значения, а поток распыленных атомов с участков пленки с ее наименьшей толщиной имеет наибольшую величину вследствие большей плотности бомбардирующего их ионного потока, что должно приводить к увеличению неравномерности толщины пленки в процессе ее распыления и к образованию в нейпор с течением времени.Достоверность полученных результатов обеспечена корректной постановкой задач с использованием классических уравнений физики, применением для их решения теоретически обоснованных методов, а также согласием результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.Личный вклад автора.