Глава 12

Средства и способы устойчивого поддержания плазмы

§ 12.1. Основное средство - газовый электрический разряд

Для создания и поддержания низкотемпературной плазмы в технологических плазменных устройствах используют газовый электрический разряд. Если основную ионизацию газа обеспечивают посторонние источники (например, источники ультрафиолетового или рентгеновского излучения) и без них разряд не может существовать, то его называют несамостоятельным. Как правило, в технологических устройствах электронной техники применяется самостоятельный разряд. В этом случае процесс поддерживается внутренними источниками ионизации (например, столкновением электронов с молекулами и атомами внешнего газа, процессами на катоде и т.п.).

Для перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный и обеспечения лавинного пробоя требуется начальная концентрация электронов , которая может быть получена за счет либо впрыска электронов (так называемыйподжиг разряда), либоостаточной ионизации. Поджиг разряда обычно обеспечивается каким-либо вспомогательным устройством, действующим в течение начального короткого промежутка времени. Остаточная ионизация- следствие естественных процессов в газовой среде.

Основные типы газовых разрядов

Электрические разряды в газах, в результате которых образуется газоразрядная плазма, могут протекать различно в зависимости от условий и выбранных параметров (давление, состав газа, вкладываемая мощность, напряженность и частота электрического поля, сила тока, наличие и характеристики магнитных и электромагнитных полей, материал и состояние электродов и т.д.). При разных формах разряда вклад тех или иных элементарных процессов может быть совершенно различен. Разнообразен также и механизм пробоя газа, а существование разряда может поддерживаться не только при непосредственно контакте плазмы с электродами (электродный разряд), но и в отсутствие такого контакта (безэлектродный).

Можно выделить четыре типа газовых разрядов:

1) тлеющий;

2) дуговой;

3) искровой;

4) высокочастотный.

§ 12.2. Формы электродного газового разряда

С изменением тока во внешней цепи в простейшей камере с холодными электродами наблюдаются различные формы электродного газового разряда. Эти формы прослеживаются на характерной вольт-амперной характеристике разряда = f(I_A)(рис.12.1). ОбластьАВсоответствует переходу от таунсендовского разряда (с очень малой плотностью анодного токаI_A = 10^-15– 10^-6А/см²) к нормальному тлеющему. В этом случае только часть катода эмиттирует электроны и покрыта свечением. На участкеВСс возрастанием тока"работающая область" катода увеличивается, а плотность тока сохраняется.

Когда вся поверхность катода начинает эмиттировать электроны и покрывается свечением, разряд переходит в режим аномального тлеющего(участокCD). В этом режиме для повышения интенсивности ионизации в объеме и, следовательно, роста тока необходимо электроны разогнать до больших скоростей увеличением напряжения на разрядном промежутке.

C дальнейшим подъемом напряжения ускорение электронов сопровождается существенным ускорением ионов, которые начинают бомбардировать катод. Катод разогревается, возникает заметная термоэлектронная эмиссия. Напряжение, необходимое для поддержания разряда, значительно уменьшается, ток существенно растет, разряд переходит всильноточную дугу с падающей характеристикой. В подобном дуговом разряде основным процессом генерации электронов и ионов являетсятермическая ионизация. Различны для тлеющего и дугового разрядов процессы на катоде. В тлеющем разряде эти процессы связаны с выходом электроновпод действием электронной бомбардировки, а в дуговом - стермоэлектронной эмиссией.

В технологических плазменных устройствах могут использоваться различные пространственные зоны или области разряда. Обрабатываемое изделие может размещаться как на поверхности катода или анода, так и в различных участках межэлектродного пространства. Поэтому необходимо рассмотреть эти участки с точкизрения распределения потенциала в межэлектродном пространстве. Данноераспределение существенно различно у тлеющего и дугового разряда (рис.12.2) и определяется элементарными процессами в разряде - характером ионизации, динамикой приобретения и потери энергии электронами и т.д.

Рис.12.1.

О

Рис.12.2.

сновные отличия дугового разряда (рис.12.2,б) от тлеющего (рис.12.2,а):

1) уменьшение катодного падения потенциала;

2) резкое возрастание силы тока;

3) наличие термической ионизации;

4) шнурование разряда;

5) увеличение свечения и уменьшение темных пространств.