Диссертация (Исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с неоднородной поверхностью электродов в газоразрядных приборах), страница 12

4.4 приведены найденные из (4.4), (4.5) и (4.12), (4.19) энергетические спектры ионов и быстрых атомов у поверхности гладкого катода fi 0 (d c , e)и f a 0 (d c , e) , а также амплитуды поправок к ним fi1 (d c , e) и f a1 (d c , e) , обусловленные искривленностью его поверхности, при различных значениях отношений d c / l c , l c / lc и hc / lc [125]. Видно, что при возрастании отношения d c / l c ,т.е. при увеличении среднего числа перезарядок ионов в катодном слое разряда,доля высокоэнергетичных ионов и быстрых атомов в их потоках быстро убывает вследствие уменьшения падения напряжения на длине перезарядки иона вкатодном слое [49]. При уменьшении же поперечного размера элементов рельефа lc , т.е.

при увеличении отношения l c / lc , амплитуды неоднородных компонент функции распределения потоков ионов и быстрых атомов по энергиямубывают 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. В то же время, с увеличением амплитуды рельефа, т.е.

отношения hc / lc , поправки к спектрам ионов и быстрыхатомов, обусловленные искривленностью поверхности катода, возрастают из-заувеличения поперечной компоненты напряженности электрического поля. Приэтом во всех рассмотренных случаях поправки к спектру быстрых атомов име-86ют по крайней мере на порядок меньшую величину, чем поправки к ионномуспектру.аf, отн. ед.3100010100110101-1100,10,010,00110-30,00011E-0510-51E-061E-0710-71E-08hc/lc=0,10,5бf, отн. ед.1000310100110101-1100,10,010,00110-30,00011E-0510-51E-061E-0710-71E-08lc/lc =2fa0fi0-fi1-fa10,01010,99e/eUcdc/lc =10lc/lc =2fa0fi0-fi1-fa10,010dc/lc =10hc/lc=0,20,50,991e/eUcвf, отн.

ед.3100010100110101-1100,10,010,00110-30,00010,0000110-50,0000010,000000110-71E-0800,01dc/lc = 10lc/lc = 4fa0fi0-fi1hc/lc= 0,2-fa10,510,99e/eUc87f, отн. ед.3100010100110101-1100,10,010,00110-30,00010,0000110-50,0000010,000000110-71E-0800,01гdc/lc = 20lc/lc = 4fa0fi0-fi1hc/lc= 0,2-fa10,50,991e/eUcРис. 4.4.Составляющие энергетических спектров ионов и быстрых атомов у поверхности катода при различных значениях отношений d c / l c , l c / lc и hc / lc .На Рис.

4.5 изображены рассчитанные на основе соотношений (4.43), (4.49)и (4.65)зависимости однородной компоненты и амплитуды неоднороднойкомпоненты полного эффективного коэффициента распыления поверхности катода в разряде Yt , а также его ионной и атомной составляющих Yi и Ya , отсреднего числа перезарядок ионов в катодном слое d c / l c . Из него следует, чтос увеличением d c / l c происходит уменьшение эффективного коэффициентараспыления из-за снижения энергий бомбардирующих катод частиц. При этомамплитуда неоднородной компоненты Yt1 положительная, т.е. согласно (4.65)эффективный коэффициент распыления имеет минимальную величину на вершинах рельефа (при x    2n , где n - целое число) вследствие преимущественной фокусировки на них низкоэнергетичных ионов [46, 53]. Ее величинапри hc / lc  0, 2 примерно на порядок меньше Yt 0 , т.е.

неоднородность ионногои атомного потоков уже при достаточно малой амплитуде рельефа обусловливает заметное изменение эффективного коэффициента распыления вдоль поверхности катода.88аY/Alc/lc =210110Yt0Yi0Ya0110-10.1Yt10.01Yi1-3100.001Ya10.00010.0000110-50.0000011015202530dc/lcбY/Alc/lc =410110Yt0Yi0Ya0110-10.1Yt10.01-3100.001Yi10.0001Ya110-50.000010.0000011015202530dc/lcРис.

4.5.Зависимости составляющих эффективного коэффициента распыления катода отсреднего числа перезарядок ионов в катодном слое разряда d c / l cпри hc / lc  0, 2 и двух значениях отношения l c / lc .89Полученные из (4.68) – (4.70) зависимости однородной компоненты и амплитуды неоднородной компоненты плотности потока распыляемых с катода вразряде атомов от d c / l c представлены на Рис. 4.6.аJ/Ji0 Alc/lc =210110Js0Jsa0Jsi0110-10.1-Js1-Jsi10.01-30.00110-Jsa10.00010.0000110-50.0000011015202530dc/lcбJ/Ji0 Alc/lc =410110Js0Jsa0Jsi0110-10.1-Js10.01-Jsi1-30.00110-Jsa10.0001-5101E-051E-061015202530dc/l cРис. 4.6.Зависимости составляющих плотности потока распыленных атомову поверхности катода от среднего числа перезарядок ионов в катодном слоеразряда d c / l c при hc / lc  0, 2 и двух значениях отношения l c / lc .90Из него можно видеть, что, несмотря на меньшее значение полного коэффициента распыления на вершинах рельефа, амплитуда неоднородной компоненты потока распыленных атомов имеет отрицательную величину ( J s1  0 ).Следовательно, в соответствии с (4.70) эти участки поверхности катода распыляются в разряде более интенсивно, что обусловлено большей плотностью потоков ионов и быстрых атомов на них (поскольку, как следует из (4.26) и (4.38),J i1  0 и J a1  0 ), причем степень неоднородности распыления убывает с уве-личением отношения l c / lc .

Так как J si1  J sa1 , то основной вклад в неоднородность распыления катода вносит неоднородность ионного потока, а вкладнеоднородности потока быстрых атомов пренебрежимо мал (т.е. можно считать, что J s1  J si1 ). Коэффициент распыления в припороговой области, каквидно из (4.71), быстро убывает с уменьшением энергии частиц. Поэтому учетрассеяния быстрых атомов при их столкновениях с медленными [85] долженприводить к дополнительному снижению распыления катода быстрыми атомами.Таким образом, при моделировании распыления в тлеющем разряде негладких катодов с размерами элементов поверхностного рельефа, много меньшими ширины катодного слоя разряда, неоднородность потока быстрых атомовможет не приниматься во внимание.Выводы к главе 41. Рассчитаны энергетические спектры потоков ионов и быстрых атомов уповерхности искривленной поверхности катода в тлеющем разряде. Найденыраспределения плотностей потоков ионов и быстрых атомов, а также эффективного коэффициента распыления катода и плотности потока распыленныхатомов вдоль его поверхности.2.

Показано, что эффективный коэффициент распыления имеет минимальную величину на вершинах рельефа из-за преимущественной фокусировкина них низкоэнергетичных ионов, претерпевших последнюю перезарядку на91атоме рабочего газа в слое порядка характерного поперечного размера элементов рельефа, где существует поперечная компонента напряженности электрического поля, причем неоднородность эффективного коэффициента распылениявозрастает с увеличением амплитуды рельефа.3. Плотность потока атомов, распыленных с поверхности катода, достигает на вершинах рельефа максимального значения вследствие большей плотности потока бомбардирующих их частиц.4.

Основной вклад в неоднородность распыления катода вносит неоднородность ионного потока, а вклад неоднородности потока быстрых атомов мали может не приниматься во внимание при моделировании распыления твердыхтел в тлеющем разряде, если ширина его катодного слоя существенно превосходит размеры элементов поверхностного рельефа катода.92ГЛАВА 5. РАСЧЕТ РАСПЫЛЕНИЯ КАТОДА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙПЛЕНКОЙ НЕРАВНОМЕРНОЙ ТОЛЩИНЫ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕСрок службы приборов тлеющего разряда, таких как плазменные дисплеи,осветительные лампы, газовые лазеры, в значительной степени ограничиваетсяраспылением их катода ионами, ускоряющимися в катодном слое разряда.Уменьшение энергий бомбардирующих катод частиц, а следовательно, и интенсивности его распыления, может быть достигнуто путем снижения катодного падения напряжения разряда.

Для этого во многих типах приборов на поверхности катода формируется тонкая оксидная пленка, имеющая более высокое значение коэффициента ионно-электронной эмиссии, чем соответствующийметалл [34,126]. Так как применяемые на практике оксиды (MgO, BaO, Al2O3)являются диэлектриками, то в разряде на их поверхности накапливаются положительные заряды, создающие в пленке сильное электрическое поле, достаточное для появления полевой эмиссии из металлической подложки катода. Эмиттированные электроны достигают внешней поверхности пленки и нейтрализуют положительные заряды, обеспечивая стационарный режим разряда, а некоторая их доля преодолевает потенциальный барьер на границе пленки и выходит в разрядный объем, увеличивая эффективный коэффициент электроннойэмиссии катода [41,109].Если толщина диэлектрической пленки изменяется вдоль поверхности катода, может происходить искривление силовых линий электрического поля вприэлектродном слое разряда, оказывающее влияние на движение заряженныхчастиц [60,127].

В результате этого нарушается однородность бомбардирующего катод ионного потока, что должно приводить к изменению неравномерноститолщины пленки с течением времени и к снижению долговечности катода. Однако исследования этого процесса и зависимости его характеристик от разрядных условий ранее не проводились.93В данной главе изучены закономерности процесса распыления в тлеющемразряде катода с тонкой диэлектрической пленкой, толщина которой периодически изменяется вдоль его поверхности.5.1.

Модель катодного слоя разряда при наличии на поверхности катодадиэлектрической пленки переменной толщиныПусть катодный слой стационарного тлеющего разряда, в котором напряженность электрического поля значительно превосходит ее значения в другихчастях разряда, расположен между плоскостью z  0 и поверхностью диэлектрической пленки на катоде, описываемой уравнениемzc  d c  h f cos kx ,(5.1)где k  2 / l f , d c - толщина катодного слоя, h f и l f - амплитуда и период неравномерности толщины пленки, средняя толщина которой равнаHf(Рис. 5.1).Рис.

5.1.Геометрия разряда у катода с диэлектрической пленкой переменнойтолщины. Линии – траектории ионов, бомбардирующих поверхность пленки94Ионы рабочего газа, двигающиеся в катодном слое, подвергаются резонансной перезарядке на его атомах, а между перезарядками ускоряются электрическим полем в направлении катода. При этом интенсивность перезарядкихарактеризуется средней длиной пробега иона  c  1 c n , где c - сечение перезарядки, n  p kT - концентрация атомов газа, p и T - давление и температура газа, k - постоянная Больцмана [1]. Вследствие искривленности поверхностикатода, в приповерхностном слое разряда электрическое поле имеет ненулевуюпоперечную компоненту, величина которой периодически изменяется вдольоси x . В результате происходит отклонение траекторий ионов от нормали кмакроскопической поверхности катода, совпадающей с осью z [60,127], приводящее к нарушению однородности бомбардирующего его ионного потока.В случае, когда искривленность поверхности электрода мала, т.е.

выполняется условиеh f  l f ~  c  dc ,(5.2)неоднородности распределений электрического поля и потоков частиц вдольповерхности катода малы и сосредоточены в тонком приповерхностном слоеразряда толщиной l f  d c [60]. Поэтому они практически не влияют на макроскопические характеристики катодного слоя разряда, которые могут бытьнайдены из одномерной, не учитывающей искривленность поверхности катода,модели сформулированной в разделе 2.1.