Жданов Основы физических процессов 2007

ния необходимо на некоторое время снять напряжение питания с промежутка, чтобы уменьшить эмиссию из катодного пятна до критического уровня. Процесс формирования и развития дуги является быстропротекающим, и скорость реакции системы контроля должна быть высокой. Использование в источниках питания и схемах дугогашения мощных модулей IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором), имеющих субмикросекундные времена переключения, позволяет решить эту задачу.

На кафедре физики плазмы МИФИ в конце 80-х годов в научной группе под руководством И.К. Фетисова были обнаружены и исследованы новые формы мощных импульсных (квазистационарных) сильноточных разрядов в скрещенных E и H полях. Конструкции разрядных устройств представлены на рис.8.17, а характеристики двух форм разрядов (сильноточного магнетронного и сильноточного диффузного) на рис.8.18.

Плоский магнетрон		Система с профилированными
		электродами

Рис.8.17. Конструкция разрядных устройств: 1 - катод, 2 - анод, 3 - подложка, 4 - магнитная система, 5 - вода, 6 - изолятор

Сильноточный магнетронный разряд (2 на рис.8.18) реализу-

ется с наибольшей вероятностью в диапазоне давлений 10-3 ÷ 10- 1 Тор и магнитных полей с индукцией 0.4 ÷ 1.0 кГс. Напряжение на разряде с ростом тока монотонно увеличивается до некоторого максимального значения Udmax 500 ÷ 1200 В, после чего он переходит в сильноточный диффузный или дуговой режим при токе до 250 А (при длительности импульса до 20 мс), что соответствует плотности катодного тока j 25 А/см2. Уменьшение индукции магнитного поля сопровождается увеличением разрядного напряжения

311

Udmax (B ) до некоторого критического значения Udкр, зависящего только от материала катода и рода газа. Дальнейшее уменьшение индукции магнитного поля приводит к переходу разряда в высоковольтный режим, характеризующийся крутым ростом ВАХ и малым (до 1 А) значением разрядного тока.

Рис.8.18. Устойчивые формы разряда низкого давления в скрещенных E х H полях. 1- стационарный магнетронный разряд, 2- сильноточный магнетронный разряд, 3 -сильноточный диффузный разряд, 4- дуговой разряд

Этот тип разряда аналогично стационарному магнетронному разряду характеризуется Таунсендовским механизмом ионизации в столкновительном катодном слое и преобладанием вторичных механизмов эмиссии.

Особенностью сильноточного магнетронного разряда является интенсивное, за счет высокой энергии и плотности ионного потока, распыление материала катода. Оценки для стандартных технологических условий разряда показали, что плотность плазмы сильноточного магнетронного разряда составляет до 5 1013 см-3, содержание атомов материала катода в плазме может достигать 30 %. Это позволяет получать импульсную скорость нанесения металлических покрытий до 80 мкм/мин, в то время как средние скорости нанесения металлических покрытий в условиях стационарного магнетронного разряда с использованием охлаждаемых катодов составляют 1 ÷ 5 мкм/мин.

312

Сильноточный диффузный разряд (область 3 на рис.8.18)

формируется при токах 10 ÷ 2000 А и характеризуется постоянным напряжением горения 65 ÷ 140 В, временем существования порядка 1 мс, а также отсутствием контракции в плазме и катодном слое. Сильноточный диффузный разряд реализуется преимущественно в диапазоне давлений 10-2 ÷ 5 Тор независимо от вида разрядного устройства, рода газа, материала катода. Плотность ионов может достигать (1.0 ÷ 1.5) 1015 см-3, температура электронов составляет 4 ÷ 8 эВ при высокой однородности разряда и отсутствии токовых каналов, а средняя плотность тока сильноточного диффузного разряда достигает 90 А/см2.

Структура сильноточного диффузного разряда характеризуется наличием бесстолкновительного катодного слоя и областью плазмы, являющейся активной зоной разряда с преобладанием термического механизма ионизации атомов газа и преобладанием механизма вторичной катодной эмиссии, что отличает его от классического магнетронного и дугового разрядов.

В бесстолкновительном катодном слое происходит непосредственное ускорение эмитированных электронов до энергий, соответствующих катодному падению потенциала. Бесстолкновительный катодный слой отделен от положительного столба промежуточным квазинейтральным слоем, где электроны теряют направленную скорость, а функция распределения электронов по скоростям становится максвелловской. Электроны, энергия которых превосходят энергию ионизации, непосредственно ионизуют газ, а те, у которых энергия недостаточна для ионизации при столкновениях с нейтральными частицами и ионами, производят их нагрев. В результате основными механизмами ионизации являются ионизация ударом электронов, принадлежащих к высокоэнергетичной части функции распределения и равновесная термоионизация в атоматомных и ион-атомных столкновениях.

Спектральные исследования компонентного состава излучения плазмы сильноточного диффузного разряда показали отсутствие в экспериментальном спектре линий элементов, принадлежащих материалу катода, что говорит об отсутствии заметного катодного распыления или испарения материалов электродов. Это указывает на то, что средняя энергия ионов, ускоряемых катодным слоем, оказывается ниже пороговой энергией катодного распыления, а температура поверхности катода как средняя, так и в период протекания импульса тока, ниже температуры испарения.

Сильноточная диффузная форма разряда нашла применение при активации поверхности диэлектриков и в высокоскоростном ионно-стимулированном травлении.

313

§55. Плазменно-пучковый и пучково-плазменный разряды

Самостоятельный плазменно-пучковый разряд (СППР) – это самостоятельный разряд в сильноточном (0.1 – 10 кА) диоде низкого

давления ( p 10−5 −10−3 мм.рт.ст.), который возникает из дугового, например, при повышении давления ( p >10−3 мм.рт.ст). Пере-

ход от дугового разряда к СППР происходит, когда дуговой разряд не в состоянии перенести весь ток, обеспечиваемый источником питания. При превышении током разряда критического значения

I	р	> I	крит	en	2kTe	S , где n – плотность	концентрации
				min		min
					me
электронов в области минимума плотности плазмы,							Te – темпера-

тура электронов плазмы, S – сечение токового канала, в плазме образуется динамический двойной слой объемного заряда, на котором сосредотачивается практически все приложенное к диоду на-

пряжение

Vсл

Vр .

Ток

разряда становится равным

I

=

1.86

2e Vр3/ 2

, где l

– толщина двойного слоя. В электри-

р

9π

m

l2

сл

e

сл

ческом поле двойного слоя Eсл

Vсл / lсл , толщина которого, как

правило, много меньше длины диодного промежутка, происходит встречное ускорение пучков электронов и ионов. Подобно дуговому разряду СППР формируется в условиях возникновения эмиссии с холодного катода катодными пятнами, но отличается от дугового процессами переноса тока и способом нагрева плазмы, обеспечивающим баланс нужного числа носителей. Перенос разрядного тока пучками заряженных частиц и нагрев электронов плазмы до энергий, достаточных для ионизации газа, происходит за счет коллективного пучково-плазменного взаимодействия. СППР это самостоятельный разряд, так как необходимое для разряда число носителей поддерживается исключительно за счет поданного на электроды напряжения.

Различают два характерных типа СППР: К-разряд и М-разряд, которые отличаются как пространственной локализацией двойного слоя, так и условиями возникновения и динамикой поддержания. При К-разряде минимум концентра-

314

ции плазмы и, соответственно, двойной слой локализован в прикатодной области диода между плотной плазмой катодных пятен (1015 – 1017 см-3) и плазмой диода (1012 – 1013 см-3). Формируемый в двойном слое мощный электронный пучок пронизывает весь разрядный промежуток. В случае М-разряда двойной слой расположен между электродами и его локализация определяется областью с минимумом концентрации плазмы. При этом основной ток разряда переносится пучком электронов только на участке двойной слой – анод. Меняя область минимума концентрации плазмы, можно управлять местоположением слоя, а, следовательно, и местоположением зоны генерации интенсивных пучков заряженных частиц.

СППР применяется для генерации интенсивных пучков электронов и ионов. Для этого диодный промежуток, как правило, помещают в продольное однородное магнитное поле катушек. Генерируемый в двойном слое пучок электронов за счет ионизации создает плазму, которая удерживается в магнитном поле. Номинальный ток в магнитных катушках таких устройств порядка 200 А, при величине магнитного поля ~ 600 Гс. При токе пучка порядка 1 A, энергия электронов пучка составляет– 3–4 кэВ. В СППР существует группа горячих электронов с энергиями порядка десятков и даже сотен килэлектрон-вольт, что значительно больше энергии пучка. Высокоэнергетичные электроны, нагретые пучковоплазменными колебаниями, при кулоновском рассеивании и в столкновении со стенками производят рентгеновские кванты. Поэтому СППР может быть использован как генератор интенсивного рентгеновского излучения. В этом случае более предпочтительной является локализация двойного слоя непосредственно у поверхности анода-мишени, что исключает потери энергии электронного пучка на взаимодействие с плазмой. При этом создание градиента концентрации плазмы с минимумом у анода в сильноточных импульсных плазменных диодах возможно как за счет градиента концентрации первичной плазмы, которой предварительно заполняется диодный промежуток, так и за счет градиента давления нейтрального газа вдоль разрядной трубки. Следует отметить, что формирование постоянного градиента давления предполагает, как правило, наличие мощных средств откачки, что в различных практических приложениях зачастую затруднено. Для автономных систем необходимы очень быстрый импульсный напуск рабочего газа с катодной стороны плазменного диода (чтобы кратковременно создать необходимый градиент давления) и интенсивная откачка отработанного газа после гашения разряда.

315

Пучково-плазменный разряд

В настоящее время для разработки новых плазменных технологий широко используется эффективный способ ионизации газа электронным пучком, позволяющий получать стационарную низкотемпературную плазму в большом объеме − это пучковоплазменный разряд (ППР) в магнитном поле. Особенности ППР:

сильно неравновесная (энергия электронов плазмы значительно

превышает энергию ионов, атомов, молекул) низкотемпературная (<10 эВ) плазма высокой плотности(1010−1013см-3);

широкий диапазон степени ионизации рабочего вещества: от

полной ионизации (α =1) до слабо ионизованной плазмы

(α =10-5);

высокие значения потоков ионов и атомов (1016−1019cм-2с-1);

возможность получения стационарной плазмы с высоким энер-

госодержанием (до 0,5 Вт/см-3) в большом объеме (несколько десятков литров).

Эти свойства открывают новые технологические возможности, а именно:

можно работать с разными рабочими веществами (газы, пары металлов), воздух, азот, кислород, водород, метан, углекислый газ, фреон, аргон, литий, кальций и др.;

плазменной обработке могут подвергаться весьма большие поверхности (диаметром до 0,5 м и длиной до 2 м), детали сложной формы, а также внутренние и внешние поверхности труб;

при проведении процесса получается плазма с малым содержа-

нием примесей; Указанные особенности позволяют использовать пучково-

плазменный разряд для совершенствования существующих и создания новых плазменных технологий, а именно:

для разработки высокоинтенсивных источников ионов,

мощных источников ультрафиолетового излучения;

для ионно-плазменной модификации поверхностей: имплантации ионов и легирования, упрочнения (азотирования);

для очистки поверхностей из любых материалов, матирования;

для травления поверхностей в микроэлектронике (из ППР можно извлекать ионы с энергией 10-100 эВ, оптимальной для бездефектного травления и напыления материалов);

316

для нанесения покрытий, в том числе из тугоплавких материалов и покрытий с антикоррозионными свойствами с высокой адгезией;

для разделения изотопов;

для получения ультрадисперсных порошков;

для проведения плазмохимических реакций с высокой эффек-

тивностью; Кроме технологического использования ППР применяется как

эффективный генератор СВЧ и рентгеновского излучения, а также для исследования ионосферной и магнитосферной плазмы (электронные пучки инжектируется на высотах 90 ÷ 150 км),

В лабораторных условиях ППР создают с помощью пучка электронов диаметром 1 − 5 см с энергией 0.1−10 кэВ, током 10-1−10 А, проходящего через плазмообразующий газ в вакуумной

камере (при давлении в пределах 10-5−10-1 мм рт.ст.) с продольным магнитным полем (10 −104 Гс). Пример такой установки, дополнительно оснащенной модулятором пучка, показан на рис.8.19.

Рис. 8.19. Схема экспериментальной установки с пучково-плазменным разрядом

Пучково-плазменный разряд открыт давно (60-е годы прошлого века), однако, до настоящего времени не существует ясного пони-

317

мания о процессах в ППР. Возникновение ППР, прежде всего, происходит вследствие развития пучковой неустойчивости в результате чего, происходит возбуждение электронным пучком колебаний и волн в плазме. Поддержание ППР в магнитном поле обусловлено ионизацией газа плазменными электронами, ускоренными в поле высокочастотных колебаний, возбуждаемых электронным пучком в плазме. То что, электронный пучок в ППР имеет сильно ’’размытую’’ функцию распределения электронов по продольным скоростям с наличием электронов, имеющих энергию большую энергии инжекции, отмечалось уже в первых экспериментах. В настоящее время известно, что часть электронов пучка (до 10%) ускоряются в ППР до энергий превышающих первичную энергию (в «хвосте» энергетического распределения превышение более чем на порядок). Экспериментально было обнаружено, что большая часть ускоренных электронов движется навстречу пучку. Область локализации высокоэнергетичных электронов «привязана» к максимальной амплитуде возбуждаемых колебаний. Таким образом, плазма ППР, в области взаимодействия, является генератором потоков заряженных частиц. Максимум СВЧ колебаний лежит в области, прилежащей ко входу, через который электронный пучок входит в область взаимодействия. В этой же области регистрируется и рентгеновское излучение из плазмы. Это дает основание предположить, что электроны испытывают сильное рассеяние на возбуждаемых СВЧ полях в плазме, совершая при этом сложные движения, в результате чего их реальный пробег между соударениями оказывается большим. К тому же, существование стационарно пространственно выделенной области рентгеновского излучения, обусловленное торможением на нейтральных атомах и ионах плазмообразующего газа, указывает на их «длительное» в этой области.

Одной из особенностей ППР при выходе в установившийся режим «горения» является смена знака тока, принимаемого коллектором электронного пучка, то есть, токоприемный коллектор принимает нескомпенсированный поток ионов. Причем при удалении от коллектора зонд сначала фиксирует положительный ток, а затем на некотором расстоянии от коллектора на зонде появляется отрицательный ток. Существование локальной области, из которой ускоренные электроны и ионы движутся в противоположном направлении, может свидетельствовать и о формировании двойного слоя.

Основной максимум СВЧ колебаний соответствуют резонансной частоте, равной электронно-плазменной частоте (ωр1=ωре). Дополнительный максимум соответствуют частоте, в два раза больше, чем электронно-циклотронная час-

318

тота. (ωр2=2ωсе). Электроны плазмы в поле СВЧ волн этих резонансных частот приобретают энергию и ионизуют газ. Между параметрами плазмы (температура и плотность электронов) и амплитудой СВЧ колебаний наблюдается корреляция. При возбуждении колебаний с первой резонансной частотой ωр1=ωре отмечается максимальное значение температуры электронов. Максимальному значению плотности и минимальному значению температуры электронов плазмы соответствует вторая резонансная частота ωр2=2ωсе. При увеличении плотности плазмы происходит отстройка от резонанса ωр2=2ωсе. Электроны перестают набирать энергию. Плазма из локализованной области существования ускоренных электронов вытекает к коллектору. Понижение плотности плазмы восстанавливает резонанс, а вместе с этим восстанавливаются и условия для ускорения электронов плазмы. После чего, становится возможной доионизация газа электронами, сопровождающаяся ростом плотности плазмы в ППР. В условиях неоднородной плазмы возбуждаемые электронно-плазменных моды СВЧ колебаний вызывают возбуждение низкочастотных (НЧ) ионных колебаний, роль этого процесса для поддержания разряда является определяющей. Резонанс разрушается при возрастании плотности плазмы с возбуждением НЧ колебаний (ионный звук).

Основной вклад в ионизацию газа дают электроны, ускоренные в области пространства, где сконцентрирована энергия СВЧ волн. Плазма вытекает из этой области со скоростью ионно– звуковых волн. Неоднородность плазмы и нелинейное взаимодействие СВЧ и НЧ волн, возбуждаемых пучком, усиливает НЧ колебания, включая дрейфовые волны. Они обеспечивают аномальную диффузию плазмы поперек магнитного поля. В результате этого плазма занимает объем с радиусом много большим радиуса пучка. Максимальная температура электронов плазмы достигается в условиях возбуждения максимальной амплитуды НЧ колебаний. При этом СВЧ и НЧ колебания становятся нерегулярными. В результате этого электроны в поле ускоряющей волны имеют большую эффективную частоту соударений. СВЧ колебания отдают большую часть своей энергии низкочастотным. В стохастических НЧ полях ускоряются и ионы плазмы. Управление спектром НЧ колебаний позволяет, как это следует из экспериментов регулировать передачу энергии от пучка к ионам плазмы.

Исследованные закономерности явлений в ППР позволяют понять возможности его использования для разработки ПП генератора СВЧ колебаний. В частности, полученные результаты показывают, что использовать возбуждаемые пучком колебания можно в том случае, если осуществлять преобразование колебаний в электромагнитные волны уже в области ввода пучка в плазму. Это можно достичь путем введения участка продольной неоднородности магнитного поля, управления градиентами плотности плазмы и геометрическими размерами плазменного столба ППР разряда.

В рамках существующих нелинейных теорий взаимодействия волн в плазме, развития турбулентности плазмы, в условиях возбуждения собственных плазменных СВЧ колебаний, трудно объяснить два наблюдаемых явления:

•существование стационарной пространственно ограниченной области плазмы, в которой возбуждаются плазменные колебания и осуществляется ускорение электронов плазмы (процессы в этой области определяют в целом характеристики всего плазменного столба ППР)

319

•ускорение электронов плазмы в направлении противоположном движению электронного пучка, т.е. в направлении противоположном направлению фазовой скорости СВЧ волн, возбуждаемых пучком.

320