Автореферат диссертации (Исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с неоднородной поверхностью электродов в газоразрядных приборах), страница 4

В то же время, с увеличениемамплитуды рельефа, т.е. отношения hc / lc , поправки к спектрам ионов ибыстрых атомов, обусловленные искривленностью поверхности катода, возрастают из-за увеличения поперечной компоненты напряженности электрического поля. При этом во всех рассмотренных случаях поправки к спектрубыстрых атомов имеют по крайней мере на порядок меньшую величину, чемпоправки к ионному спектру. Поэтому основной вклад в неоднородностьраспыления катода вносит неоднородность ионного потока, а вклад неоднородности потока быстрых атомов пренебрежимо мал. Таким образом, примоделировании распыления в тлеющем разряде негладких катодов с размерами элементов поверхностного рельефа, много меньшими ширины катодного слоя разряда, неоднородность потока быстрых атомов может не приниматься во внимание.11В пятой главе исследовано влияние неравномерности толщины диэлектрической пленки на катоде на ее распыление в тлеющем разряде.

Еслитолщина пленки изменяется вдоль поверхности катода, происходит искривление силовых линий электрического поля в приэлектродном слое разряда. Врезультате этого нарушается однородность бомбардирующего катод ионногопотока, что должно приводить к изменению неравномерности толщиныпленки с течением времени и влиять на долговечность катода.В первом разделе для случая, когда толщина пленки периодически изменяется вдоль поверхности катода и амплитуда неравномерности толщиныпленки h f имеет величину, намного меньшую ее периода l f и длины перезарядки ионов в газе l c , записано аналитическое выражение для функции распределения по энергиям потока ионов.

Оно представляет собой сумму функции распределения по энергиям потока ионов у катода с диэлектрическойпленкой постоянной толщины H f и малой поправки к ней, обусловленнойнеравномерностью толщины пленки. Неоднородность потока быстрых атомов у поверхности негладкого катода, как показано в главе 4, намного меньше неоднородности потока ионов, поэтому она не принимается во внимание.Во втором разделе найдены выражения для плотности потока ионов уповерхности катода, эффективного коэффициента распыления его поверхности и плотности потока вещества катода, распыляемого ионами.В третьем разделе исследована зависимость неоднородности коэффициента распыления и потоков частиц у поверхности катода от параUc, Вметров диэлектрической пленки и500характеристик разряда.

Так как не2400однородность ионного потока пре300небрежимо мала вне слоя толщиной200порядка l f у поверхности катода,1100то макроскопические характеристи0ки катодного слоя разряда в этом00,51случае вычислялись с использоваj/p2, мА/м2·Па2нием его одномерной модели,сформулированной в главе 2.Рис. 5.На Рис.

5 приведены найденЗависимость U c ( j p 2 ) для случаевные из нее зависимости величиныкатода с пленкой BaO и с монослоемкатодного падения напряжения U cBaO (сплошная и штриховая линии1), а также для случая медного като- от плотности разрядного тока j ,разделенной на квадрат давленияда без оксидной пленки (линия 2).Точки - экспериментальные значения газа p , для вольфрамового катода сU c для разряда с медным катодомоксидной пленкой и без нее. Видно,что при наличии пленки происхо(Rozsa K., Gallagher A., Donko Z.дит уменьшение U c на величину// Phys. Rev.

E. 1995.V.52. № 1. P. 913)порядка 10 В вследствие возраста12ния эффективного коэффициента электронной эмиссии катода, обусловленного наличием полевой эмиссии электронов из его подложки. На этом рисунке также изображена рассчитанная зависимость U c ( j p 2 ) для разряда с медным катодом без оксидной пленки на поверхности (при  f  0 ), а также экспериментальные значения U c для такого разряда. Хорошее согласие результатов подтверждает удовлетворительную точность используемой модели катодного слоя при значениях отношения j p 2 в интервале 0,11 мА  м-2Па -2 .Из полученных во втором разделе соотношений следует, что энергииионов существенно возрастают с увеличением плотности разрядного тока jиз-за увеличения U c и уменьшения dc , а наличие на катоде оксидной пленкиприводит к некоторому сужению энергетического спектра ионного потокавследствие увеличения  s .

При этом неоднородность функции распределения по энергиям потока ионов вдоль поверхности катода, обусловленная фокусировкой ионов на участках с минимальной толщиной пленки, имеет заметную величину уже в случае h f H f  1, т.е. при достаточно малой неравномерности толщины пленки.Рассчитанные однородная компонента J si 0 плотности потока распыленных с поверхности катода атоJsi, отн. ед.мов, а также амплитуда ее неодно0,0001-410родной компоненты J si1 , как функ10,0000110-50,00000110-620,000000110-71E-0810-81E-0910-900,5122j/p , мА/м ·Па2Рис.

6.Зависимость однородной компонентыплотности потока распыленныхс поверхности катода атомов J si 0 иамплитуды ее неоднородной компоненты J si1 от j p 2 в случае катода соксидной пленкой (сплошные линии1 и 2), а также зависимостьJ si 0 j / p 2 для катода без оксиднойпленки (штриховая линия)при h f  0, 2 H fции j p 2 , приведены на Рис. 6.Видно, что величина J si 0быстро возрастает с увеличениемплотности разрядного тока j из-зароста энергий ионов. При этом ужев случае h f H f =0,2 величина J si1менее чем на порядок отличается отJ si 0 , т.е. происходит неравномерноераспыление пленки в разряде, причем степень неравномерности убывает с увеличением j вследствиеменьшей фокусировки ионов, имеющих большие энергии. В результате, происходит увеличение амплитуды h f неравномерности толщины пленки с течением времени врезультате большей интенсивностираспыления ее участков с наименьшей толщиной.

Это должно приводить к образованию пор в пленке,13что согласуется с наблюдаемым увеличением пористости оксидной пленки втечение срока службы катода.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. Построена модель катодного слоя тлеющего разряда при наличии накатоде тонкой диэлектрической пленки, учитывающая, наряду с ионноэлектронной эмиссией с поверхности катода, также эмиссию электронов изметаллической подложки катода под действием электрического поля, возникающего в пленке вследствие накопления на ней поверхностного заряда приионной бомбардировке в разряде.2. Показано, что наличие пленки толщиной порядка 10 нм приводит кзаметному снижению катодного падения напряжения разряда и, соответственно, к уменьшению энергий бомбардирующих катод частиц. При этомпри уменьшении коэффициента ионно-электронной эмиссии и увеличенииплотности разрядного тока энергии бомбардирующих катод частиц существенно возрастают, что обусловливает быстрый рост коэффициента распыления катода с увеличением плотности разрядного тока, который, однако, заметно снижается при наличии на катоде диэлектрической пленки.3.

Предложена модель катодного слоя тлеющего разряда у катода стонкой диэлектрической пленкой, учитывающая нагрев катода и рабочего газа потоком тепла, выделяющегося при протекании в газе электрического тока, которая, кроме ионно-электронной и полевой эмиссии электронов, принимает во внимание также термическую электронную эмиссию, возникающую при нагреве катода до достаточно высокой температуры.4.

Рассчитано изменение характеристик катодного слоя разряда и температуры поверхности катода в течение времени горения тлеющего разрядадо его перехода в дуговой при различных величинах коэффициента ионноэлектронной эмиссии катода и толщины пленки. Показано, что после зажигания тлеющего разряда, вследствие полевой электронной эмиссии из металлической подложки в пленку под действием возникающего в ней сильногоэлектрического поля, увеличивается разрядный ток и интенсивность нагревакатода.

Это обеспечивает более быстрое возникновение дугового разряда, т.е.ускоренный переход прибора в рабочий режим.5. Рассчитаны энергетические спектры потоков ионов и быстрых атомов у искривленной поверхности металлического катода в тлеющем разряде.Найдены распределения плотностей потоков ионов и быстрых атомов, а также эффективного коэффициента распыления катода и плотности потока распыленных атомов вдоль его поверхности. Показано, что эффективный коэффициент распыления имеет минимальную величину на вершинах рельефа изза преимущественной фокусировки на них низкоэнергетичных ионов, претерпевших последнюю перезарядку на атомах рабочего газа в слое порядкахарактерного поперечного размера элементов рельефа, где существует поперечная компонента напряженности электрического поля, причем неоднородность эффективного коэффициента распыления возрастает с увеличениемамплитуды рельефа.

Плотность же потока атомов, распыленных с поверхно14сти катода, достигает на вершинах рельефа максимального значения вследствие большей плотности потока бомбардирующих их частиц. Основнойвклад в неоднородность распыления катода вносит неоднородность ионногопотока, а вклад неоднородности потока быстрых атомов мал и может не приниматься во внимание при моделировании распыления в тлеющем разряде,если ширина его катодного слоя существенно превосходит размеры элементов поверхностного рельефа катода.6.