Диссертация (1024900), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

если ионы претерпеваютбольшое число перезарядок в катодном слое разряда, то распыление катодапроизводится преимущественно быстрыми атомами.10,500,010,1110dc100/l cРис. 1.9.Зависимости эффективных коэффициентов распыления поверхности катодаионами и быстрыми атомами Yi и Ya в разряде от отношения d c / l cпри U c  500 В и et  25 эВ [68]Если распыляемая поверхность имеет неоднородную структуру, на ее первоначально гладкой поверхности в процессе распыления может появляться некоторый рельеф [70,71].

Наличие же рельефа на катоде в тлеющем разряде, какотмечено в предыдущем разделе, может приводить к нарушению однородностибомбардирующих катод потоков частиц, оказывающему влияние на его распыление и на изменение характеристик рельефа с течением времени. Однако количественные исследования этого процесса до настоящего времени не проводились.30Выводы к главе 1Проведенный в данной главе анализ физических процессов в катодномслое тлеющего разряда и их существующих моделей позволяет сделать следующие выводы:1.

Физическая природа электрических и тепловых процессов в катодномслое разряда с металлическим катодом известна достаточно хорошо. Влияниеже наличия на катоде тонкой диэлектрической пленки на эмиссионные свойства катода и на характеристики катодного слоя разряда практически не изучено. Не исследовано обусловленное этим фактором изменение энергетическихспектров бомбардирующих катод частиц и эффективного коэффициента распыления, определяющего в значительной степени долговечность катода.2. Динамика разогрева катода в тлеющем разряде, обусловливающего переход разряда в дуговую форму в результате появления термической эмиссииэлектронов с его поверхности, изучена лишь для случая металлического катода.Оценки же роли полевой эмиссии электронов с диэлектрической пленки в этомпроцессе не производились.3. В ряде работ установлено, что при наличии на поверхности металлического катода некоторого рельефа имеет место пространственная и энергетическая сепарация ионов на элементах рельефа.

Однако влияние этого процесса нахарактеристики бомбардирующего катод потока быстрых атомов, образующихся при перезарядке ионов, не изучены. Не исследована также величина неоднородности распыления катода, обусловленной неоднородностью падающих нанего потоков частиц.4. Известно, что когда толщина диэлектрической пленки на катоде изменяется вдоль его поверхности, происходит фокусировка ионов на участках с еенаименьшей толщиной.

Но расчеты характеристик процесса распыления такойпленки в разряде, также как и изменения степени неоднородности толщиныпленки с течением времени, не производились.31ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТОДА НА ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕС ПЛАЗМОЙ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДАОдин из путей снижения интенсивности распыления катода в тлеющемразряде состоит в уменьшении величины катодного падения напряжения, чтоможет быть достигнуто увеличением коэффициента ионно-электронной эмиссии катода, равного среднему числу эмитируемых электронов в расчете на одинпадающий на него ион [1]. Часто для этого в состав материала электродов вводится эмиссионное вещество, состоящее из оксидов щелочноземельных металлов, имеющих достаточно высокие значения коэффициента ионно-электроннойэмиссии, но являющихся диэлектриками [4,7,32,72,73].

В результате диффузииоксидов из объема катода на его поверхности формируется тонкая диэлектрическая пленка, на которой при протекании тока в разряде накапливается положительный заряд, что приводит к возникновению в пленке электрического поля, достаточного для появления полевой эмиссии электронов из металлическойподложки электрода [35]. Такие электроны ускоряются в пленке полем внаправлении ее поверхности и, достигая ее, нейтрализуют положительный поверхностный заряд, в результате чего устанавливается стационарный режимразряда. Часть электронов преодолевает потенциальный барьер на границепленки и выходит в разрядный объем, увеличивая эффективный коэффициентионно-электронной эмиссии электрода, что должно приводить к дополнительному снижению катодного падения напряжения, а следовательно, и энергийионов и атомов, бомбардирующих катод.

В [74–77] показано, что в разрядах вмикронных межэлектродных промежутках, заполненных газом при атмосферном давлении, в которых с учетом усиления электрического поля на элементахповерхностного рельефа металлических электродов его значения достигают величин порядка 109 В/м, полевая эмиссия электронов с катода существенно влияет на параметры разряда. В работах же, посвященных моделированию распыления электродов газоразрядных приборов и оценке влияния этого процесса наих долговечность [78–80], этот фактор не принимался во внимание.32В данной главе сформулирована модель, позволяющая рассчитать параметры катодного слоя тлеющего разряда при наличии на поверхности катодатонкой диэлектрической пленки и оценить ее влияние на энергетические спектры бомбардирующих катод ионов и быстрых атомов, а также на эффективныйкоэффициент распыления материала катода.2.1.

Модель катодного слоя разряда при наличии тонкой диэлектрическойпленки на поверхности катодаПусть катодный слой тлеющего разряда расположен между плоскостьюz  0 и катодом, находящимся в плоскости z  d c , где d c - длина катодногослоя, причем на поверхности катода находится тонкая диэлектрическая пленкатолщины H f (Рис. 2.1).zdc+HfeEfeeeeedcaeaaaEaaiiii0xРис. 2.1.Геометрия катодного слоя разряда при наличии тонкойдиэлектрической пленки на катодеВ результате бомбардировки катода ионами, ускоряемыми в катодномслое, плотность тока которых равна ji , с его поверхности происходит эмиссияэлектронов, называемая ионно-электронной эмиссией, с плотностью тока33je i   i ji , где  i - коэффициент ионно-электронной эмиссии. При этом на по-верхности пленки накапливается положительный заряд, в результате чего впленке возникает электрическое поле с напряженностью E f и при достиженииею величины порядка 109 В/м начинается полевая эмиссия электронов из металлической подложки в пленку, плотность тока которой определяется формулой Фаулера - Нордгейма [35,40,81]:2 E Ef sja  js  exp    Es   Ef  E f ,c,(2.1)где c  m   d - высота потенциального барьера на границе подложки и пленки, m - работа выхода подложки,  d - электронное сродство материала плен-ки, js и Es - параметры, зависящие от c ,  E f ,c - функция, табулированнаяв [81].Эмиттированные электроны, достигая внешней границы пленки, нейтрализуют поверхностный заряд, а их доля  f выходит из пленки, создавая дополнительный электронный ток с плотностью je a   f ja .

Величина  f , в зависимости от структуры пленки и падения напряжения на ней, может принимать значения в интервале 10-8 – 10-1 [35,82,83], а в условиях, характерных для тлеющего разряда низкого давления, имеет порядок 10-1 [41,84], причем, согласно[35,41,84], при малых толщинах пленки порядка 10-8 м она растет с увеличением H f . Это объясняется увеличением энергий электронов на внешней границепленки, что обусловливает возрастание вероятности их выхода из нее.В результате, плотность полного электронного тока с поверхности катодаравна je  je i  je a   s ji , где  s   i   a ,  a  je a ji , плотность разрядного тока равна j  ji  je  (1   s )ji , а напряженность электрического поля E f в пленке в установившемся режиме разряда определяется из условия равенства полной плотности тока на поверхности пленки и плотности тока полевой эмиссиииз подложки j  ja .34Связь между плотностью ионного тока ji и величиной катодного падениянапряжения разряда U c задается соотношением [26]:jiKU c3/ 2,p 2  pdc 5 / 21/ 2где K  4e0  e c / M i (2.2),  c  kT / pc - средняя длина перезарядки иона в газе,p и T - давление и температура газа, c - сечение резонансной перезарядкииона на атоме газа, k - постоянная Больцмана, e и M i - заряд и масса иона, e0- диэлектрическая постоянная.В самостоятельном разряде выполняется условие поддержания разряда [1]:dc1(z)dzln1,s 0(2.3)где (z ) - ионизационный коэффициент рабочего газа, который для инертныхгазов определяется выражением [1]: Bp   Ap exp  , E (2.4)в котором E - напряженность электрического поля, A и B – постоянные дляданного рода газа.Если длина катодного слоя намного превышает длину перезарядки иона вгазе  c , т.е d c   c , что справедливо для многих типов газоразрядных приборов [1,4,7,8], то зависимость потенциала электрического поля от координаты zв катодном слое близка к квадратичной [1,18,85]:Uc z2( z )   2 ,dc(2.5)а зависимость напряженности электрического поля от z - к линейной:E ( z )  ( z ) 2U c z.dc2(2.6)35Уравнения (2.1) – (2.3) вместе с соотношениями (2.4) и (2.6) образуют систему, позволяющую рассчитать параметры катодного слоя тлеющего разрядаU c и d c при заданной плотности разрядного тока j .2.2.

Алгоритм решения системы уравнений для характеристик катодногослоя разрядаСистема уравнений (2.1) – (2.3) является нелинейной, поэтому она можетрешаться только численными методами. С этой целью преобразуем ее к болееудобному для проведения расчетов виду.Подставим соотношение (2.4) в (2.3) с учетом (2.6), что даетpd c0  1  Bp 2 d c2 A exp   dz  ln  1     . 2U c z   s  (2.7)Переходя в этом выражении к новой переменной интегрированияu2U cz,Bp 2 d c2(2.8)его можно привести к видуABp 2 d c22U c2U c / Bpd c0  1  1exp    du  ln  1     . u  s (2.9)Выражая из (2.9) pd c , его можно представить в форме2  Uc AB pd   1 pd c   2/ B U / pd  c  ln  1     ,  c c  1     s  exp  du  u 0(2.10)а соотношение (2.2) записать как Uc jiKp2 pd c 3/21.pd cПодстановка выражения для pd c из (2.10) в (2.11) дает(2.11)36221ln  1  AB   s U c  1  ji    2   2/ B U / pd  .ccpd c  K  p  1  exp   u  du 0(2.12)Вводя затем переменнуюqUc,pdc(2.13)и учитывая, что ji  j (1   s ) , из (2.11) и (2.12) можно найти уравнение для q :2 21ln 1  AB   s  1jq  2  2t / B  .Kp(1)s  1  exp   du  u 0(2.14)Из приведенных выше соотношений j  ja , je a   f ja ,  s   i   a ,  a  je a ji ,и выражения (1) следует2 E Ef js exp s  Ef Es    E f ,c j, s  1   i   f (E f )   i .(2.15)(2.16)В результате исходная система (2.1) – (2.3), (2.4), (2.6) сводится к болееудобной системе (2.10), (2.12) – (2.16).

В процессе нахождения ее численногорешения при заданной плотности разрядного тока j вначале из уравнения(2.15) итерационным методом находится напряженность электрического поля впленке E f , а затем из (2.16) - значение  s . После этого из уравнения (2.14) сиспользованием итерационного метода находится значение переменной q и из(2.10) и (2.13) вычисляются pd c и U c . Это позволяет найти все характеристикикатодного слоя разряда.372.3. Энергетические спектры ионов и быстрых атомов у поверхностикатода и эффективный коэффициент его распыления в разрядеДвижение ионов в катодном слое сопровождается их перезарядкой на атомах рабочего газа, в результате чего образуются быстрые атомы, имеющие туже энергию и направление движения, что и ионы в момент перезарядки, а такжеионы с нулевой энергией, которые ускоряются электрическим полем в направлении катода (см.

Характеристики

Список файлов диссертации