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

Калужский филиал федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего профессионального образования«Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана»На правах рукописиЙе Наинг ТунИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙПЛАЗМЫ С НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОДОВВ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРАХСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наук,профессор Кристя Владимир ИвановичКалуга – 20152ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................

4ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТОДНОМ СЛОЕ ТЛЕЮЩЕГОРАЗРЯДА И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) .......................................................................................... 101.1. Межчастичные взаимодействия и их макроскопическое описание........ 101.2. Электрические и тепловые процессы ......................................................... 151.3. Эмиссия электронов с поверхности катода ............................................... 191.4.

Энергетические спектры ионов и атомов у поверхности катода ............ 221.5. Распыление поверхности катода ионами и быстрыми атомами ............. 26Выводы к главе 1 ................................................................................................. 30ГЛАВА 2.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИНА ПОВЕРХНОСТИ КАТОДА НА ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ПЛАЗМОЙТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ........................................................................................... 312.1. Модель катодного слоя разряда при наличии тонкой диэлектрическойпленки на поверхности катода ........................................................................... 322.2. Алгоритм решения системы уравнений для характеристик катодногослоя разряда.......................................................................................................... 352.3. Энергетические спектры ионов и быстрых атомов у поверхностикатода и эффективный коэффициент его распыления в разряде ................... 372.4.

Расчет характеристик катодного слоя разряда и процесса распылениякатода с поверхностной диэлектрической пленкой ......................................... 40Выводы к главе 2 ................................................................................................. 47ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ДИНАМИКИ РАЗОГРЕВА КАТОДАС ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛЕНКОЙ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ ........................ 483.1.

Модель катодного слоя разряда, учитывающая нагрев катода, приналичии тонкой диэлектрической пленки на его поверхности ...................... 493.2. Алгоритм решения системы уравнений для характеристик катодногослоя разряда при учете нагрева катода.............................................................. 523Стр.3.3. Расчет нагрева катода в тлеющем разряде при наличии тонкойдиэлектрической пленки на его поверхности ................................................... 54Выводы к главе 3 .................................................................................................

61ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО РЕЛЬЕФАКАТОДА НА ЕГО РАСПЫЛЕНИЕ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ ........................... 634.1. Функции распределения по энергии потоков ионов и быстрых атомову поверхности электрода с периодическим поверхностным рельефом......... 644.2. Плотности потоков ионов и быстрых атомов у поверхности катода ..... 714.3. Плотность потока вещества, распыляемого с катода ионами, иусредненный по энергиям ионов коэффициент распыления егоповерхности..........................................................................................................

744.4. Плотность потока вещества, распыляемого с катода быстрымиатомами, и эффективный коэффициент распыления его поверхности ......... 764.5. Зависимость неоднородности эффективного коэффициентараспыления и потоков частиц у поверхности катода от параметров егорельефа и характеристик разряда ...................................................................... 82Выводы к главе 4 .................................................................................................

90ГЛАВА 5. РАСЧЕТ РАСПЫЛЕНИЯ КАТОДА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙПЛЕНКОЙ НЕРАВНОМЕРНОЙ ТОЛЩИНЫ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ ......... 925.1. Модель катодного слоя разряда при наличии на поверхности катодадиэлектрической пленки переменной толщины .............................................. 935.2. Плотность потока ионов у поверхности катода и эффективныйкоэффициент его распыления ............................................................................

955.3. Зависимость неоднородности эффективного коэффициентараспыления и потоков частиц у поверхности катода от параметровдиэлектрической пленки и характеристик разряда .......................................... 98Выводы к главе 5 ............................................................................................... 103ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ................................................................

104СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................... 1074ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. В настоящее время в различных областях человеческой деятельности используются газоразрядные приборы. Они разделяютсяна приборы тлеющего разряда (такие как плазменные дисплеи, газовые лазеры)и приборы дугового разряда (например, осветительные лампы) [1-3]. 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 катодноепадение напряжения составляет 100-200 В, а основным механизмом эмиссии скатода электронов, необходимых для поддержания разряда, является ионноэлектронная эмиссия.

В приборах же дугового разряда сначала также зажигается тлеющий разряд, а через некоторое время температура катода в результатеего нагрева потоком тепла, поступающего из разряда, достигает значений, прикоторых возможна термоэлектронная эмиссия, и разряд переходит в дуговой скатодным падением напряжения 10-20 В [4-6]. Срок службы таких приборов взначительной степени ограничивается процессом распыления катода ионами,ускоряющимися в катодном слое тлеющего разряда, и быстрыми атомами, образующимися при резонансной перезарядке быстрых ионов на атомах газа,причем этот механизм является основным и для приборов дугового разряда, таккак их долговечность в непрерывном режиме работы существенно больше, чемв режиме периодических включений – выключений [7].

Тлеющий разряд используется также в электронике для травления микроструктур и напылениятонких пленок, поскольку плазменные технологии имеют ряд преимуществ перед ионно-пучковыми [1,8].Для усовершенствования указанных приборов и технологий необходимопонимание физических процессов, протекающих в катодном слое тлеющегоразряда и на поверхности катода. Однако до настоящего времени остаются недостаточно изученными ряд вопросов, связанных с исследованием влияния рельефа поверхности катода и наличия на ней диэлектрических пленок на процессы, протекающие в катодном слое, и, в частности, на распыление катода, в зна-5чительной степени влияющее на его долговечность в приборе.

Это определяетактуальность данной работы, а также ее значение для физики взаимодействиягазоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела и физической электроники.Целью диссертационной работы являлось исследование методами математического моделирования взаимодействия низкотемпературной плазмы и катода газоразрядного прибора при наличии на нем тонкой диэлектрическойпленки, а также периодического поверхностного рельефа малой амплитуды.Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:- построение стационарной модели катодного слоя тлеющего разряда приналичии на катоде тонкой диэлектрической пленки и исследование ее влиянияна характеристики разряда;- создание нестационарной модели, описывающей динамику нагрева катода, поверхность которого покрыта диэлектрической пленкой, и изучение влияния пленки на переход тлеющего разряда в дуговой;- нахождение энергетических спектров бомбардирующих катод ионов иатомов при наличии на нем периодического рельефа малой амплитуды, оценкаего влияния на эффективный коэффициент распыления катода и степень неоднородности его распыления в разряде;- исследование неоднородности потоков ионов, бомбардирующих катод, ираспыленных с катода атомов при наличии на нем тонкой диэлектрическойпленки переменной толщины.Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:1.

Разработана модель катодного слоя тлеющего разряда при наличии накатоде тонкой диэлектрической пленки, учитывающая полевую электроннуюэмиссию из металлической подложки катода; показано, что полевая эмиссияможет приводить к существенному снижению катодного падения напряжения6разряда, а следовательно и к уменьшению энергий бомбардирующих катод частиц и эффективного коэффициента распыления материала катода в разряде.2. Исследовано влияние диэлектрической пленки на температурный режим катода в разряде и установлено, что она обусловливает более интенсивный его разогрев вследствие увеличения плотности разрядного тока и болеебыстрый переход разряда в дуговую форму.3.

Рассчитаны распределения плотностей потоков ионов и быстрых атомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потока распыленных атомов вдоль искривленной поверхности металлического катода втлеющем разряде; подтверждено, что эффективный коэффициент распылениякатода имеет минимальную величину на вершинах рельефа из-за преимущественной фокусировки на них низкоэнергетичных ионов, плотность же потокаатомов, распыленных с поверхности катода, достигает на вершинах рельефамаксимального значения вследствие большей плотности потока бомбардирующих их частиц.4. Установлено, что основной вклад в неоднородность распыления катодас поверхностным рельефом в тлеющем разряде вносит неоднородность ионногопотока, 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 быстрых атомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потока распыленных атомов, вдоль катода с диэлектрической пленкой переменной толщины; показано, что бомбардирующий ее в разряде ионный поток максималенна участках с наименьшей толщиной пленки, а эффективный коэффициент распыления принимает на них минимальные значения в результате того, что наних преимущественно фокусируются ионы с малыми энергиями; поток же распыленных атомов с участков пленки с ее наименьшей толщиной имеетнаибольшую величину вследствие большей плотности бомбардирующего ихионного потока, что должно приводить к увеличению неравномерности толщи-7ны пленки в процессе ее распыления и к образованию в ней пор с течениемвремени.Теоретическая и практическая значимость работы определяется тем,что результаты, полученные при ее выполнении, вносят существенный вклад впонимание процессов, протекающих при взаимодействии низкотемпературнойплазмы с поверхностью катода газоразрядного прибора при наличии на ней рельефа и диэлектрических оксидных пленок.