Исследование условий зажигания и режимов газового разряда в поперечном слабо-неоднородном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИН2СЕНЕРН0-ФИЗИЧЕСКШ ИНСТИТУТ '

Ка правах рукописи

ХОДАЧЕНКО Георгий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИИ ЗАЖИГАНИЯ И РЕЖИМОВ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА В ПОПЕРЕЧНОМ СЛАБО-НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.04.08 - физика и химия плазмы

(

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

Москва - 1992 г.

Работа выполнена б Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент И.К.Фетисов.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

Ю.В.Кубарев

кандидат физико-математических наук, Л.И.Елизаров

Ведущая организация - Институт, сильноточной электроники СО РАН

Защите состоится " 23 " ХП 1992 г. в 17 часов на

заседании специализированного совета КОБЗ.03.08 в Московском инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Москва, М-409, Каширское шоссе 31, тел.324-84-98.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан " " ¿¿¿¿¿лъЛ. ^1992 г.

Просим принять участие в. работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь - '

специализированного совета Сх^-л^г С.Т.Корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Исследование газового , разряда в скрещенных ЕхН полях является актуальны?*» в связи с созданием множества газоразрядных приборов, управляемых магнитным полем: коммутирующие устройства; системы ионного распыления материалов; инжекторы зарязкешшх частиц с плазменными эмиттерами и т.д.

Анализ литературных данных показывает, что свойства разряда в поперечном магнитном поле с замкнутым дрейфом электронов в области промежуточных давлений ( Ле ^ с/ , где Де - длина пробега электрона, с/ - менэлектродный зазор ), в которой функционирует ' большинство из перечисленных устройств, практически не изучены. Отсутствуют удовлетворительные физические модели, позволяющие определить области существования разряда, а также провести классификацию режимов разряда с целью выбора оптимальной устойчивой работы устройства для конкретной технологической задачи. В первую очередь это относится к магнетронным системам распыления материалов и к плазменным эмиттерам низкоэнергетичных плотных потоков заряженных частиц.

Цель работы. Проведение экспериментальных исследований условий зажигания разряда в области промежуточных давлений, определение основных закономерностей, построение теоретических моделей механизма пробоя.

Проведение исследований рекимов разряда с положительным объемным зарядом при наличии замкнутого дрейфа электронов.. Проведение классификации вольт-амперных характеристик разряда. Проведение диагностических зондобых исследований структуры разряда.

Исследование возможности использования плазмы разряда в качестве эмиттера низкоэнергетичных электронов.

Научная новизна и практическая значимость рзботы. В процессе проведения работы были исследованы области существования разряда в слабо-неоднородном магнитном поле в области промежуточных давлений. Показана связь между видом

характеристики зажигания и классическим законом подобия Пашена. Впервые проведена классификация характеристик зажигания разряда по (рс1) ( р- давление газа, й- межэлектродное расстояние ). Построены простые модели, позволяющие определить границы области существования разряда, Расчитать участки характеристик зажигания. Построена кинетическая модель лавинного пробоя полностью описывающая характеристику зажигания •иъ{&г, р, с1) в области промежуточных давлений. Обнаружена зависимость режимов разряда с положительным объемным зарядом от соответствующей характеристики зажигания. Показана возможность проведения классификации вольт-амперных характеристик разряда по (рй). Обнаружены режимы разряда с обрывом тока, позволяющие объяснить неустойчивое поведение магнетронных высоковольтных и сильноточных разрядов. Обнаружена устойчивая форма разряда с компенсированным пространственным зарядом. Показана возможность, получения .дискового пучка электронов низкой энергии из кольцевого плазменного эмиттера. Построена теоретическая модель, связывающая параметры разряда с параметрами пучка, которая позволяет определить коэффициент эмиссии плазменного эмиттера и рассчитать зависимости тока пучка от вытягивающего напряжения.

Полученные результаты использованы:

-при создании мощного источника электронов с плазменным эмиттером на основе цилиндрического магнетронного разряда в институте сильноточной электроники СО РАН;

-в новой плазменной технологии ионно-стимулированного травления ( НПО Субмикрон ).

На защиту выносятся следующие положения:

I.Результаты исследования условий зажигания разряда в слабо-неоднородном аксиально-симметричном поперечном магнитном поле с замкнутым дрейфом электронов в области промежуточных давлений. Методика измерений характеристик ■ заметания. Результаты теоретических рачетов.по разработанным в диссертации моделям, позволяющим рассчитать зависимость напряжения зажигания от параметров устройства ( индукции магнитного поля, давления рабочего газа,размера разрядной области,рода газа,материала электродов). Методика классификаций характеристик зажигания.

2- Результаты исследования режимов- разряда» зависимости вольт-амперных характеристик разряда от величины поперечной составляющей индукции магнитного поля в газоразрядном устройстве. Методика классификации вольт-амперных характеристик разряда. Режимы разряда с обрывами тока к с з-образными характеристиками. Результаты зовдовой диагностики. Результата расчета по разработанным моделям режимов разряда. .

3. Метод получения дискового пучка электронов из кольцевого плазменного эмиттера. Эксперимент и расчет.

Апробация работа. Основные результаты работы были представлены на Международных конференциях по явлениям в

ионизованных газах 1981, 1983, 1991 г.; на IX Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы 1983г., на Всесоюзной конференции по физике газового разряда 1984г., на 7 Всесоюзном симпозиуме по ненакаливаемым катодам 1985г., на X Всесоюзном совещании по плазменной эмиссионной электронике 1991 (обзорный доклад).

Публикации.Основные результаты работы опубликованы в 18 печатных работах, выполненных при непосредственном участии'

• автора, а также получено положительное решение о Еыдаче патента по заявке м 5045678 от 29.04.92 на создание новой технологии ионно-стшулировашого травления в микроэлектронике.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 141 страниц, в том

• числе 100 страниц машинописного текста, Л таблиц,

60 рисунков. Список литературы включает 11Ц наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обсуждается ее актуальность, цели и задачи исследования.

Первая глава является обзорной. В -ней рассматривается существующие виды устройств со скрещенными ЕхН полями, и их использование в современной технике. Приводятся данные по экспериментальному и теоретическому исследованию лавинного

пробоя в присутствии поперечного магнитного поля, рассматриваются особенности режимов разряда с положительным и и отрицательным объемными зарядами. Показано, что в. литературе очень мало экспериментальных данных по изучению зажигания разряда в поперечном магнитном поле с замкнутым дрейфам электронов в области промезкуточных давлений. Ни одна из теоретических моделей не описывает указанный случай, когда влияние магнитного поля на механизм зажигания разрядз становится существенным, но не является определяющим.

Широкое использование в технике систем типа цилиндрического магнетрона и ячейки Пенинга стимулировало в первую очередь исследования разряда низкого давления с отрицательным объемным зарядом, свойства этой формы разряда можно считать изученными достаточно полно как экспериментально так и теоретически. Немногие экспериментальные данные, относящиеся к исследованию режимов с положительным объемным зарядом носят противоречивый и запутанный характер. Отсутствует классификация вольт-амперных характеристик таких режимов. В тоже время режимы с положительным пространственным зарядом являются несомненно более эффективными для магнетронных систем распыления материалов а также для плазменных эмиттеров.

Во второй главе дается полное описание экспериментальной установки. Разрядное устройство представляет собой систему из двух плоских кольцевых электродов, помещенных в поле включенных навстречу катушек (рис. I). Размер электродов и расстояние между ними выбиралось таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий слабой неоднородности поперечной составляющей индукции магнитного поля Бг в межэлектродном зазоре: вг в В* ■

--> С ; —и > с{ , где I ий- шрина рабочей поверх- -

ности электродов и расстояние между ними. Таким образом специальной конструкцией электродов и катушек магнитного поля удалось создать разрядное устройство с замкнутым дрейфом электронов и практически однородными скрещенными электрическим и магнитным полями в области разряда.

Для защиты системы питания и разрядного устройства от импульсных; (переход в дуговой режим) и стационарных перегрузок была разработана специальная электронная система на логических

элементах.

Использование в вакуумной системе полиэфирных масел и вымораживающих азотных ловушек позволило получить безмаслянный вакуум Ю~5-1СГ6тор. Давление рабочих газов Аг,к2,не изменялось в пределах 10~2-2тор. В заключении главы приводятся описание системы измерений параметров разряда под еысоким напряжением, а также рассматриваются вопросы симметризации источника питания, потенциалов электродов и вакуумной камеры.

Третья глава посвящена исследованию условий зажигания разряда. Подробно описывается и обосновывается создание методики измерения характеристик зажигания. С помощью разработанных методик были исследованы зависимости напряжения пробоя из в зависимости от поперечной составляющей индукции магнитного поля В (0-3.510"^ Тл) в области давлений р=10~~-2 тор. для различных мезкэлектродннх расстояний ¿=(1.0-3.5)см в различных газах (Аг, Не, Было обнаружено 3 группы характеристик, соответствующих определенным областям (ра) на кривой Пашена для каждого рабочего газа. Наиболее общая характеристика зажигания для промежуточного давления представлена на рис.2. Видно, что на верхней ветви характеристики имеется участок неоднозначной зависимости из от В Появление такого участка обусловлено существенным влиянием магнитного поля на пробой. Обнаружено также сильное возрастание напряжения, зажигания на нижней ветви с ростом В . Для описания области зажигания такого разряда были построены две модели. Первая модель является упрощенной и позволяет найти приближенное аналитическое выражение из(Вг) для участков нижней и верхней ветвей характеристики путем совместного решения уравнения энергетического баланса для электрона с учетом потерь энергии только на ионизацию с уравнением пробоя:

ееа/ -2-мЛр* =еа1л(&г)с!

. \ 4 (П

М 1 + -ТГ\1 = I

I г<<М/ ^

где Е-напряженность электрического поля; -коэффициент

объемной ионизации; !Г(Вг-) - коэффициент вторичной

ион-электронной эмиссии; е.-т, - заряд, масса и дрейфовая скорость электрона. Решение системы дает выражение для верхней и нижней ветвей характеристики зажигания (пунктирные -Линии нз

рис.2);

{^Н'-^Т'Г4 <2'

6Г =с и>

где ^ - коэффициент вторичной ион-эдектронной эмиссии в отсутствии магнитного поля; с - скорость света; И1 - потенциал ионизации газа.

Вторая модель позволяет расчитать полностью кривую зажигания численными методами. В основе модели лежит расчет коэффициентов объемной ионизации и вторичной эмиссии У в магнитном поле с учетом упругих и яеупругих взаимодействий с использованием соответствующих функций распределения, Использование кинетики в магнитном поле с учетом ряда упрощений ■дает . 3 1 г г .

/ е.?21

в = ( + Ъ)

где Ад,В0,С0 - коэффициенты, зависящие от рода газа; ^ -полная частота столкновений при давлении I тор; и? ларморовская частота. Система (3) с условием самостоятельности разряда позволяет получить уравнение для границы области зажигания.

/<. «»К ()']• К в-£ИЮ<*>

• Результаты численного решения (4) хорошо согласуются с экспериментальные данными (рис;2). Рассматривая систему (3) вблизи порога ионизации и при больших энергиях можно получить

аналитические выражения аналогичные (2).

*

В четвертой главе представлены результаты исследования

влияния поперечного магнитного шля на рекимы и структуру стационарного разряда. Условия проведения эксперимента были такие же, как оэдсаны в главе 3. Для кавдого газа удзлось выделить три диапазона (рй), в кавдом из которых вольт-амперные характеристики обладают общими свойствами. Оказалось, что каждой груше характеристик ^ (Гр) соответствует свой вид кривой зажигания. На рис.Заб показаны характерные семейства -С/р (1р) . Особенностью семейства рис.За является уменьшение напряжения разряда и крутизны кривых с ростом индукции магнитного поля Ьг . Для семейства я а рис.36 характерно, что напряжение и наклон кривых сначала уменьшается с ростом ¿V , затем наклон характеристики остается неизменным, а напряжение ¿/р возрастает с ростом 8Г , Зовдовые исследования структуры разряда показали наличие положительного объемного заряда т.е. катодного слоя, на котором падает большая часть Ыр для всех режимов разряда. Были также обнаружены режимы с Б - образными характеристиками и обрывами тока (рис.4). Показано, что обрывы тока связаны с наличием областёй неоднозначности на соответствующих пробойных характеристиках £4(вг). Для объяснения полученных результатов было решено уравнение Таунсенда для катодного слоя разряда, магнитное поле учитывалось в виде эквивалентрого давления Рц , а коэффициент объемной ионизации (вблизи порога ионизации) был использован в виде

л

*

Р ~~2

ЕМ» .

щ к

X

в

2000

Яг , </- 2,5см р=5* 1С) тор

1000 ..

Рис Л. Разрядное устройство 1-анод; 2 - катод

3 - катушки магнитного поля.

Рис.2. Пробойная характеристика вида I. 1,2 - расчет по модели (2) 3 - расчет по модели (3) -

.4 - эксперимент

"г, В

1000

Ыр, В Уг

500

200

у = 1,4-Ю~2Т

30 1р,мА

. 200 1Р,мА АО Рис.3. Режим разряда. а- р = 2 гор» Не; ¿Г- р = 8- Ю""2тори£ — - расчет по модели (5)

где Е>1 - энергия ионизации, 6„ - энергия,

соответствующая максимальному сечению ионизации, ¿- - подвижность ионов рабочего газа, 1к(ик\- толщина катодного слоя. Зависимости полученные из решения системы (Б) хорошо

согласуются с экспериментом (рис.Заб) и зондовыми измерениями ширины катодного слоя. Механизмы обрыва тока описываются подобной системой уравнений для энергий электрона, соответствующих спаду сечения ионизации. В этом случае уравнения могут быть решены численными методами. Результаты расчета представлены на рис.4.

В пятой главе рассматривается возможность использования плазмы описанного в предыдущих главах разряда в качестве кольцевого эмиттера для получения низковольтного плотного дискового пучка электронов. В центр системы (рисЛ) помещался цилиндрический электрод, к которому относительно плазмы, разряда прикладывалось напряжение. За счет ускорения электронов, эмиттировашшх с плазменной поверхности возникал дисковый пучок, сходящийся в центре система.

Исследование характеристик пучка проводилось для трех режимов разряда в диапазоне давлений 3-100 Па. При давлении р=40 Па вольт-амперные характеристики пучка (ВАХ) имеют перегиб (рис.5) при неболылих значениях вытягивающего напряжения ип ~ 40 В. Наличие двух участков на ВАХ вызвано тем, что при низких напряжениях электроны пучка на пути от плазмы разряда до центра системы испытывают упругие соударения. При больших напряжениях соударение становятся ионизующими. Образующиеся в пучке ионы, перемещаясь к поверхности плазменного эмиттера и обладая малой подвижностью, образуют слой положительного объемного заряда вблизи поверхности плазмы, изменяя -распределение потенциала вдоль пучка. Электроны, ускоренные в приграничном слое, набирают энергию, достаточную для ионизации. Электроны, потерявшие энергию при неупругих столкновениях, вместе со вторичными электронами и ионами образуют квазинейтральную плазму, сквозь которую проходит пучок быстрых электронов, объемный заряд которых компенсирован. Для объяснения наблюдаемых в эксперименте зависимостей были использованы основные положения теории аномального тлеющего разряда. Зависимость плотности тока пучка

от вытягивающего напряжения определяется выражейиеМ!

j - ^ АУ 1 + и % ■

* b?(<*Vr*) " '

где У - отношение потока электронов к потоку ионов на границе плазменного эмиттера, определяющее его эмиссионную способность. Для определения были использованы уравнений,

связыващие процессы в разрядном промежутке с током пучка, из

которых следует *

где Ип - вытягивающее напряжение, соответствующее точке перегиба БАХ. ч На рис.5 приведено сравнение экспериментальных результатов с расчетными. Измерения распределения потенциала по радиусу системы подтвердили наличие слоя положительного объемного заряда. Наибольшая плотность потока энергии пучка была достигнута при давлениях 40 - 100 На и составляла Ю8 Вт/м2 при вытягивающем напряжении всего лишь Г КВ.

В заключении приводятся основные результаты работы:

1. Разработана методика определения областей неоднозначности кривой зажигания разряда в поперечном магнитном поле.

2. Проведены экспериментальные исследования зажигания разряда для области давлений, при которых длина свободного пробега электрона сравнима с межэлектродным расстоянием.. Впервые проведена классификация характеристик зажигания по pd. Обнаружены три принципиально отличающихся вида характеристик, два.из которых не описаны в литературе.

3. Построены теоретические модели, позволяющие определить границы областей существования разряда. Получено хорошее соответствие с экспериментальными результатами и известными данными других авторов.

4. Проведены экспериментальные исследования влияния магнитного поля на режимы магнетронного разряда. Обнаружены не

изученные ранее виды разряда,впервые обнаружены режимы разряда с s-образньми вольт-амперными характеристиками и обрывами тока, которые позволили объяснить причины

неустойчивого поведения разряда в магнетронных системах. Установлено однозначное сооветствие между режимами разряда и характеристиками зажигания. Исследовано влияние магнитного поля на структуру разряда.

5. Построены теоретические модели, позволяющие объяснить наблюдаемые особенности влияния магнитного поля на режимы разряда.

6. Построена качественная модель обрыва тона газового разряда в поперечном магнитном поле (в области слабых магнитных полей), что позволяет объяснить некоторые неустойчивые режимы работы магнетронных технологических установок.

7. Показана возможность использования обнаруженных режимов разряда в качестве плазменного эмиттера для получения дискового сходящегося низкоэнергетичного пучка электронов большой плотности. Построена теоретическая модель плазменного эмиттера, позволяющая расчитать характеристики пучка. Получено хорошее соответствие экспериментальных данных расчетным.

О'

О 50 100

Рис.4, -образные характеристики Не > р=6х10~^Т0р, — качественная модель

100

Ц,В

Рис.5. Вольт-амперные характеристики пучка. р=10_1тор,^г.

■I,

Основные результаты диссертации опубликованы в работах.

1. Тюрюканов U.M., 'Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Условия зажигания разряда низкого давленйя в скрещенных асксиально -симметричных однородном электрическом и неоднородном магнитном шлях. - ЖГФ 1978. Т.48 N 8 стр.1629-1636.

2. Khodaohenko G.V.,Fetisov I.K., Korolyov Z.V. Investigation of the discharge apurklng oonditions in a crossed magnetic field. I.C.P.I.G.-XV, 1981. Minsk v.1 pp.617-619.

3. Королев JI.B. Фетисов И. К., Ходаченко Г. В. Электрофизическая установка для изучения стационарного разряда

в скрещенных асксиально - симметричных однородном электрическом и- слабо-неоднородном магнитном полях. ВИНИТИ Деп. N 3015 Москва 1982. 14 стр. •

4. Королев Л.В. Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Рекиш стационарного разряда в слабо-неоднородном магнитном поле Всесоюзный семинар "Электронно-ионная технология и оборудование" г. Киев 1982, доклад.

5. Королев Л.В. • Михин С.Г., Ходаченко Г.В. Электронное устройство для контроля режимов разряда и защиты систем питания от перегрузок в установках для нанесения тонких пленок. Всесоюзный семинар "Автоматизация технологических процессов нанесения покрытий в вакууме" г.Киев 1982, т.1, стр. I4I-I43. ,

6. Королев Л.В. Фетисов ' И.К., Ходаченко Г.В. Обрыв тока газового разряда низкого давления в поперечном, аксиально-симметричном магнитном поле. XVI Международная конф. по явлениям в ионизованных газах, г. Дюссельдорф 1983. т.4 .стр.480-481.

7. Королев Л.В., Павлюченко . Д.И..Фетисов И.К.,' Ходаченко Г.В. Пробой в аргоне в поперечном' магнитном поле. IX Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы, г. Фрунзе, 1983, т.1 стр.192-194.

3. Королев Л.В. Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Исследование условий зажигания разряда в поперечном, аксиально -симметричном слабо-неоднородном магнитном поле. Физика плазмы, 1933, т.9, выл4, стр. 869-873.

Э. Королев Л.В. Фетисов И.К., Ходаченко Г.В.

.Зондовые исследования структуры стационарного разряда в поперечном магнитном'поле. Диагностические методы в плазменных исследованиях. Иосква, Энергоатомиздат, 1983, стр. 36-40.

IQ. Королев Л.В., Павлюченко Д.И..Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Пробой в газах в поперечном магнитном поле. Физика газоразрядной плазмы, Москва, Энергоатомиздат, 1984, стр.- 12-25.

11. Королев Л.В. Пятнова Н.В. Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Влияние поперечного магнитного поля на режимы стационарного разряда. Физика газоразрядной плазмы, Москва, Энергоатомиздат, • 1984, стр. 25-33.

12. Тюрюканов П.М. Ходаченко Г.В. Метод измерения импульсных напряжений. ПТЭ, 1984, N3, стр.121-123.

13. Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Использование плазмы кольцевого разряда в скрещенных ЕхВ шлях в качестве эмиттера электронов. У Всесоюзный симпозиум по ненакаливаемым катодам, г. Томск, 1985, стр. 150-153.

14. Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Аномальное возрастание тока разряда низкого давления в поперечном магнитном поле. Всесоюзный семинар "Применение электронной и ионной технологии в промышленности." г.Киев, 1986.

15. Мозгрин Д.В., Фетисов И.К., Ходаченко Г.Е. Квазистационарные даффузионно-объемные разряды в магнитном поле. Всесоюзная конференция по физике газового разряда, г. Омск, 1990, т.2, стр. 59-61.

16. PetiBov I.K., Khodachenko G.Y., Mozgrin B.V. Quasy -stationary high current formes of low pressure , discharge in magnetio field. I.C.P.I.G.-XX, Piza 1991. v2. pp.476-47£.

17. Мозгрин Д.В., Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Перспективы использования плазмы разряда в различной геометрии магнитного поля в качестве эмиттера заряженных частиц.

I Всесоюзное ■ совещание по плазменной эмиссионной электронике, г. Улан-Уда., 1991, т.1, стр.32-38. (обзорный доклад).

18. Галперин В.А., Мозгрин Д.В., Невзоров П.И., Фетисов И.К., Шелыхманов Е.Ф., Ходаченко Г.В. "Способ плазменного травления тонких пленок", положительное решение о выдаче патента по заявке N5045678 от 29.04.92.