2.2. Условия существования разряда в газах

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Согласно приближенной теории Таунсенда условие зажигания самостоятельного разряда в газе между плоскими электродами имеет вид:

(e^ad –1)=1, (2.2.1)

где d — расстояние между электродами, а - коэффициент объемной ионизации газа электронами, равный среднему значению количества актов ионизации, производимых одним электроном на пути единичной длины,  — коэффи­циент поверхностной ионизации, равный среднему числу электронов, выбиваемых из катода одним положительным ионом. Если подать на электроды такое напряжение U>U_t, при котором формула теряет физический смысл. Это значит, что при таком напряжении ток не может быть стационарным. С другой стороны, при U<U_t, когда 1, течет стационарный несамостоятельный ток.

2.3. Вольтамперная характеристика разряда между электродами

Для создания низкотемпературной плазмы формируют газовый разряд в пространстве между двумя электродами. Тип разряда зависит от давления газа, приложенного напряжения и концентрации электронов, которые влияют на длину разрядного промежутка и плотность разрядного тока. Температура такой плазмы обычно не превышает 10⁴ – 10⁵ К.Эти электроды выполняют в виде плоских или изогнутых поверхностей, к которым подводится высокое напряжение (десятки киловольт).

На рисунке 2.3.1 (Приложение 10) приведена ВАХ газового разряда между двумя плоскими электродами.

При достижении определенного напряжения (пробивного) наступает пробой газового промежутка. В области 1, известной под названием области таунсендовского разряда, при постоянном напряжении между электродами ток увеличивается. При дальнейшем увеличении тока (область 2) достигается область нормального тлеющего разряда (область 3). Если сила тока превышает определенное значение, то по мере дальнейшего увеличения тока напряжение между электродами растет – наступает аномальный тлеющий разряд (область 4). При дальнейшем увеличении тока напряжение между электродами быстро падает (область 5) и возникает дуговой разряд (область 6). Характерной чертой дугового разряда является то, что он может возникать как при высоком, так и при низком давлении.

2.4. Расчет вольтамперной характеристики разряда при катодном распы­лении

2. Расчет вольт-амперной характеристики разряда между электродами.

Исходные данные:

- радиус электродов, мишени и подложки

мм.рт.ст. - давление

- плотность материала

- параметр

2.1. Определение размера катодной области d.

Построим функцию зависимости U=f(d).

- постоянная величина

- средняя длина свободного пробега электронов в газе при давлении 1 Па

См. Рис 2.4.1. (Приложение 11)

Найдем размер катодной области.

- напряжение разряда

2.2. Расчет коэффициента ионизации a.

- напряженность электрического поля

- постоянная для аргона величина

- постоянная для аргона величина

2.3. Расчет коэфициента вторичной эмиссии

2.4. Построение ВАХ разряда при 1000<U<5000.

- площадь мишени

См. Рис 2.4.2. (Приложение 12)

- ток при выбранном напряжении

- напряжение

2.5. Будем считать, что разряд происходит в атмосфере аргона и расстояние D от катода до анода равно 2d

- расстояние мишень-подложка

3. ТЕОРИЯ КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

3.1. Физические модели катодного распыления

Для того чтобы описать процесс физического распыления используют модели, основанные на двух механизмах. Согласно первому механизму распыленные атомы возникают в результате сильного локального разогрева поверхности мишени самим падающим ионом (модель «горячего пятна») или быстрой вторичной частицей (модель «теплового клина»). Второй механизм состоит в передаче импульса падающего иона атомам решетки материала мишени, которые в свою очередь, могут передать импульс другим атомам решетки, вызвав тем самым каскад столкновений (модель столкновений).

В случае, когда поверхностный ион получит энергию, достаточную для разрыва связи с ближайшими соседями, и импульс будет направлен в сторону паровой фазы, атом перейдет в паровую фазу. При этом направление полета атома должно соответствовать направлению полученного им импульса. Энергия такого импульса наименьшая, если он нормален к поверхности мишени. Энергия атома, покидающего поверхность мишени и переходящего в пар, равна или превышает энергию испарения и составляет лишь часть энергии бомбардирующей частицы, которая тратится в основном на радиационные повреждения кристаллической решетки мишени

Различают два вида распыления: физическое (катодное) и химическое (реактивное). Физическое распыление является результатом столкновения между падающим ионом и атомами мишени и зависит от энергии падающих ионов. Химическое распыление протекает в том случае, когда реакционноспособный ион плазмы образует летучее соединение с атомами или молекулами мишени. В этом случае энергия падающего иона не играет существенной роли.