Автореферат диссертации (Исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с неоднородной поверхностью электродов в газоразрядных приборах), страница 3

Такие шагиповторяются до момента начала быстрого уменьшения катодного падениянапряжения U c , соответствующего переходу тлеющего разряда в дуговойразряд.В третьем разделе приведены результаты расчетов для разряда в аргонес цилиндрическим катодом из вольфрама с пленкой оксида бария на поверхности и без нее. Найденные зависимости катодного падения напряжения U cи температуры катода Tc от времени горения разряда приведены на Рис. 3.Uc, B200аTc, K200015015001001000505000001234Uc, B2005t, cб15001001000505000012345t, c12345t, c012345t, cTc, K200015000Рис. 3.Зависимости Uc и Tc от времени для катода с диэлектрической пленкой(сплошные линии) и без пленки (штриховые линии)при  f  0,01E f H f , H f =10 нм и  i =0,2 (а),  i =0,05 (б)Из него видно, что при наличии на поверхности катода тонкого слоядиэлектрика происходит его более интенсивный нагрев.

Это объясняется тем,что в случае металлического катода при Tc < 103 К основным механизмом8эмиссии электронов является ионно-электронная эмиссия (т.е.  s  i ), а приналичии на катоде диэлектрической пленки существенный вклад в нее вносит также полевая эмиссия из металлической подложки в пленку(  s  i   a ) , причем при рассматриваемых условиях  a  i . В результатекатод эмиттирует дополнительные электроны, обеспечивающие более интенсивную ионизацию газа у его поверхности, что приводит к увеличению разрядного тока и теплового потока, поступающего на катод из катодного слояразряда, а следовательно, к более быстрому его нагреву и ускоренному переходу разряда в дуговую форму. Время горения тлеющего разряда с металлическим катодом существенно возрастает при уменьшении коэффициентаионно-электронной эмиссии  i , и при малых его величинах переход к дуговому разряду не происходит достаточно долго, в отличие от случая наличияна катоде диэлектрической пленки.

Снижение доли  f электронов, эмитированных из подложки катода под действием сильного электрического поля,генерируемого поверхностными зарядами в пленке, и выходящих из нее вразрядный объем, приводит к снижению плотности разрядного тока у поверхности катода. Это обусловливает меньшую скорость разогрева катода иувеличение продолжительности горения тлеющего разряда до его перехода вдуговой разряд. К такому же результату приводит и уменьшение давлениярабочего газа, что также связано со снижением плотности разрядного тока.При всех рассмотренных условиях рассчитанное время перехода разрядав дуговую форму для катода с оксидной пленкой не превосходит 1 с, что согласуется с экспериментальными данными (Byszewski W.W., Li Y.M.,Budinger A.B., Gregor P.D.

// Plasma Sources Sci. Technol. 1996. V. 5, № 4.P. 720), в то время как для разряда с металлическим катодом оно может бытьзначительно большим. Это подтверждает важную роль оксидных пленок наэлектродах в обеспечении перехода приборов дугового разряда в рабочийрежим.В четвертой главе изучено влияние наличия на металлическом катодепериодического поверхностного рельефа малой амплитуды на потоки бомбардирующих катод частиц и интенсивность его распыления в тлеющем разряде.

При этом, вследствие искривленности поверхности катода, в приповерхностном слое разряда электрическое поле имеет ненулевую компоненту,направленную вдоль катода, величина которой периодически изменяется вэтом направлении. В результате происходит отклонение траекторий ионов внаправлении вершин рельефа, приводящее к нарушению однородности бомбардирующего катод ионного потока, а следовательно, и потока быстрыхатомов, образующихся при перезарядке ионов на атомах рабочего газа.В первом разделе для случая, когда амплитуда элементов рельефа hcимеет величину, намного меньшую его периода lc и длины перезарядкиионов в газе l c , записаны аналитические выражения для функций распределения по энергиям потоков ионов и быстрых атомов.

Они представляют собой суммы функции распределения по энергиям потока соответствующего9типа частиц у гладкого катода и малой поправки к ней, обусловленной искривленностью поверхности катода.Во втором разделе вычислены плотности потоков ионов и быстрыхатомов у искривленной поверхности катода, которые также представляют собой суммы невозмущенной плотности потока соответствующего типа частици малой поправки к нему, периодически изменяющейся вдоль поверхностикатода.В третьем и четвертом разделах рассчитаны плотности потоков вещества катода, распыленного с него ионами и быстрыми атомами, а также эффективные коэффициенты распыления его поверхности каждым из типов частиц.В пятом разделе исследована зависимость неоднородности потоков частиц у поверхности катода и коэффициента его распыления от параметроврельефа и характеристик разряда.

Показано, что неоднородность коэффициента распыления катода с поверхностным рельефом в тлеющем разрядеопределяется наличием энергетической сепарации ионов, т.е. преимущественной фокусировкой низкоэнергетичных ионов на вершинах рельефа,приводящей к снижению усредненного по энергиям ионов коэффициентараспыления этих участков. Но плотность потока распыленных ионами атомов материала катода с таких участков больше, чем с других участков,вследствие повышенной плотности ионного потока на них. Это обусловливает более интенсивное распыление в разряде в чистом газе выступающих элементов рельефа.Неоднородность потока распыленных атомов возрастает с увеличениемамплитуды поверхностного рельефа hc (и пропорциональна отношениюhc / lc ), так как при этом усиливается фокусировка ионного потока на вершинах рельефа.

Неоднородность эффективного коэффициента распылениякатода также пропорциональна hc / lc и растет с увеличением характерногопоперечного размера элементов рельефа lc , поскольку при этом приповерхностный слой разряда, в котором существует компонента электрического поля, направленная вдоль поверхности катода, становится шире. Поэтому фокусировке подвергаются ионы, претерпевшие последнюю перезарядку дальше от катода и имеющие у его поверхности большую энергию, т.е. количество таких ионов увеличивается.Энергетическая сепарация ионов оказывает влияние на усредненный поэнергиям ионов коэффициент распыления катода при характерном размереэлементов его поверхностного рельефа lc ~ l c .

В частности, при давленияхрабочего газа порядка 1 Па, используемых в ряде технологий микроэлектроники, энергетическая сепарация имеет заметную величину при значениях lc внесколько миллиметров, что соответствует результатам работы Woodworth J.R., Aragon B. P., Hamilton T. W. // Appl. Phys.

Lett. 1997. V. 70. № 15. P. 1947.На Рис. 4 приведены найденные из полученных во втором разделе выражений энергетические спектры ионов и быстрых атомов у поверхности10гладкого катода fi 0 (dc , e) и fa 0 (dc , e) , а также амплитуды поправок к нимfi1 (dc , e) и f a1(dc , e) , обусловленные искривленностью его поверхности, придвух значениях отношения dc / l c . Видно, что при возрастании отношенияdc / l c , т.е. при увеличении среднего числа перезарядок ионов в катодномслое разряда, доля высокоэнергетичных ионов и быстрых атомов в их потоках быстро убывает вследствие уменьшения падения напряжения на длинеперезарядки иона в катодном слое.f, отн.

ед.1000310100fa011010fi01-10,1-fi1100,010,00110-3 -fa10,00010,0000110-50,0000010,000000110-7dc/lc = 101E-0800,010,5f, отн. ед.1000310fa0100110fi010 1-fi1-10,1100,010,00110-3 -fa10,00010,0000110-50,0000010,000000110-71E-0810,99e/eUc00,01dc/lc = 200,510,99e/eUcРис. 4.Составляющие энергетических спектров ионов и быстрых атомов у поверхности катода при двух значениях отношения dc / l cи lc / lc =4, hc / lc =0,2.При уменьшении же поперечного размера элементов рельефа lc , т.е.при увеличении отношения lc / lc , амплитуды неоднородных компонентфункции распределения потоков ионов и быстрых атомов по энергиям убывают вследствие того, что снижается доля ионов, претерпевших последнююперезарядку в приэлектродном слое разряда толщиной порядка lc , в которомсуществует заметная поперечная компонента электрического поля, и подвергающихся фокусировке на вершинах рельефа.