Курнаев Введение в пучковую електронику 2008

ний плотности тока ( j 106 А/см2) расчетное поле Е 107 В/см (у самого катода) – теория и эксперимент примерно совпадают, то ни для малых, ни для самых больших значений j необходимые для обеспечения соответствующей автоэлектронной эмиссии значения Е оказываются неправдоподобно большими. Иногда пятна останавливаются (бывает надолго), в таком месте идет сильная эрозия (до дыр и прекращения разряда).

Положительный столб дугового разряда

Положительный столб дугового разряда сильно зависит от рода газа, давления, силы тока. При малых давлениях (p ≤ 0,1 атм) и силе тока (I 1 А) столб неравновесен (Te > Ti) и сильно напоминает контрагированный шнур тлеющего разряда.

Плазма паров металла, молекулярных газов при давлении p ≥ 1 атм всегда равновесна, характерное распределение (по радиусу столба) температуры и проводимости представлено на рис. 3.67.

При обычном распределении тока температура будет иметь колокообразную форму, равномерно уменьша-

ясь от T ~ (10 ÷ 12) 103 К в центре до температуры стенки. Плотность электронов по радиусу спадает очень быстро − в равновесной плазме

ne ~ exp(–r/r0) (а с ней и про-

водимость (σ ~ ne)), так что токопроводящий канал сосредоточен у оси. На радиусе, большем r0 (см. рис. 3.67), проводимостью плазмы можно пренебречь. Однако связать количественно ток I, радиусы r0 и R, мощность w удалось только введя принцип минимума мощности "min w". При заданном токе I и радиу-

381

се R устанавливается такое значение r0, при котором выделяющаяся в разряде мощность была бы минимальной (позже доказали, что принцип "min w" справедлив не всегда, но в дуге справедлив). Существенно, что максимальная температура Тк (см. рис. 3.67) весьма слабо зависит от охлаждения дуги (важен только теплоотвод от катода) и растет с вкладываемой мощностью несколько медленнее, чем корень квадратный из мощности. При высоком давлении (p ≥ 10 атм) и высокой температуре (Т ≥ 12000 К) очень существенным оказывается охлаждение излучением, оно уносит до 90 % мощности.

Область анода

Область анода так же, как и прикатодная, весьма тонкая, падение напряжения на ней зависит от режима работы анода, а их два. Первый режим – диффузный имеет место при большой площади анода и плотности тока j ≤ 102 А/см2, ток распределен по всему аноду и падение напряжения очень мало (1 ÷ 3 В) (и даже бывает отрицательным). Второй режим: если площадь анода мала (ток выходит на края и т.д.), то при некотором токе (зависит от многих причин) ток собирается в пятно (или пятна) с плотностью j = 102 А/см2. Анодные пятна образуют правильные геометрические фигуры (!), иногда бегают, но тоже по упорядоченным траекториям (круги, овалы, ...). Механизмы не известны.

Зажигание дуги

Помимо зажигания дуги путем разъединения электродов есть другой способ образования дуги − ионизация в межэлектродном промежутке при подаче повышенного напряжения и выбор формы электродов, способствующей разряду (обычно острие). Если в тлеющем разряде увеличивать силу тока (путем снижения внешнего сопротивления или повышая ЭДС источника ε), то при большой силе тока напряжение на электродах трубки начинает падать, разряд быстро развивается, превращаясь в дуговой. В большинстве случаев переход осуществляется скачком и нередко ведет к короткому замыканию.

382

В плазменных источниках ионов широкое распространение получил так называемый капиллярно-дуговой разряд. Внутри узкого капилляра плазма поддерживается не потоком ускоренных в прианодном падении потенциала электронов, а большим количеством электронов, поступающих со стенок капилляра с энергией, достаточной для ионизации. Их присутствие связано с большой долей атомов, находящихся на стенках капилляра в возбужденном состоянии. При большой плотности потока возбужденных атомов происходит ступенчатая ионизация. Энергетический спектр вылетающих из капилляра частиц довольно широкий из-за высокой степени перезарядки ионов в плотной струе сопутствующего газа. Применение накаливаемого катода позволяет резко снизить напряжение горения разряда и реализовать низковольтный капиллярнодуговой источник.

3.7.5. Искровой и коронный, ВЧ- и СВЧ-разряды

Искровой разряд

Искра может загораться в плотном (давление порядка атмосферы и больше) газе при большой напряженности электрического поля. Первичная лавина быстро поляризуется − электроны отходят в сторону анода, а ионы практически стоят. При образовании лавины происходит много возбуждений с быстрым высвечиванием, фотоэффект создает новые электроны, новые лавины вблизи основной, они втягиваются в основную лавину, растет ее объединенный заряд, растет создаваемое им электрическое поле E. Когда поле Е примерно станет равным внешнему Е0, возникает тонкий проводящий канал − стример, соединяющий электроды (стример может быть направлен к любому электроду или сразу к обоим). Скорость распространения стримеров (более 108 см/с) гораздо больше скорости распространения электронных лавин, определяемой подвижностью электронов. Таким образом, для развития стримера необходимо выполнение двух условий: 1) поле лавины сравнивается с внешним полем (E E0); 2) излучение переднего фронта лавины достаточно для фотоионизации нужного количества атомов газа. Собственно стример – слабопроводящий, но перед самым замыканием межэлектродного промежутка вдоль него проходит волна

383

скачка потенциала, образуется хорошо проводящий канал, и уже по нему проходит большой ток − собственно искра. Газ в канале сильно нагревается, возникает скачок давления − звуковая волна (в молнии − гром). (Изложение весьма упрощенное, но более аккуратное – намного длиннее, а полной ясности все равно нет...) Если межэлектродное расстояние – большое, поле Е – неоднородное, на конце стимера может образоваться хорошо проводящий участок − лидер, что характерно для молний, где последовательно образуется несколько лидеров, по существу несколько разрядов с временными сдвигами в десятки миллисекунд. Вакуумная искра может использоваться для генерации импульсных потоков частиц, содержащих в плазме материалы электродов.

Коронный разряд

Коронный разряд − самостоятельный разряд, который возникает только при условии очень большой неоднородности электрического поля хотя бы у одного из электродов (острие − плоскость, нить − плоскость, две нити, нить в цилиндре большого радиуса и т.д.). Условия возникновения и развития короны − различные при разной полярности "острия" (назовем так электрод, вблизи которого Е сильно неоднородно). Если острие − катод (корона "отрицательная"), то зажигание короны по существу происходит так же, как в тлеющем разряде, только для определения первого коэффициента Таунсенда α (так как поле Е сильно неоднородное) в воздухе (практически важный случай) надо учитывать прилипание (наличие кислорода), так что

где αп − коэффициент прилипания, x1 − расстояние до точки, в ко-

торой Е уже так мало, что ионизация не происходит: E ≈ 0. В такой короне есть свечение только до расстояния, тоже примерно равного x1. Если "острие" − анод (корона "положительная"), то картина существенно меняется: около острия наблюдаются светящиеся нити, как бы разбегающиеся от острия. Вероятно, это стримеры от лавин, зарожденных в объеме фотоэлектронами. Очевидно, что и крите-

384

рий зажигания другой − такой, как для образования стримера. В любом коронном разряде существенна неоднородность Е, т.е. конкретная геометрия электродов.

Сводная вольт-амперная характеристика разрядов в постоянном электрическом поле показана на рис. 3.68.

Рис. 3.68. Вольт-амперная характеристика самостоятельного разряда в постоянном электрическом поле

Высокочастотные (ВЧ) разряды

В ВЧ-диапазоне (10–1 ÷ 102 МГц) принято различать E (емкостные) и H типы разрядов − по определяющему вектору электромагнитного поля. Мощности E разрядов небольшие (их задача

поддержать ионизацию), но напряженности E велики − до десятков килоэлектрон-вольт.

Рис. 3.69. Индукционный разряд в трубке радиусом R, вставленной в длинный соленоид; r0 – радиус плазмы, справа – распределение температуры по радиусу

385

Обычно индуктор − катушка (бывает и один виток!), внутри которой и происходит разряд (рис. 3.69). Такие разряды часто назы-

вают разрядами с индуктивно связанной плазмой.

Переменное H поле направлено вдоль оси катушки, поле E –

аксиально к ней. Для поддержания разряда нужное E существенно меньше, чем для его зажигания. Поэтому обычно вводят в объем тонкий металлический электрод, он разогревается, дает термоэлектроны (иногда частично испаряется), инициирует разряд, после чего его удаляют. Во время работы мощность вводится потоком электромагнитной энергии:

а отводится чаще всего потоком газа (он ионизуется и уносит энергию). Но электромагнитная энергия проникает в плазму (проводник) на глубину х, спадая по экспоненте ехр(–х/δ), где δ − скинслой, и его условились считать глубиной проникновения потока:

где с − скорость света; σˆ − проводимость проводника; ω − частота ВЧ-поля.

Очевидно, режим работы генератора плазмы зависит от соотношения R и величины δ. Если δ < R, то энергия поглощается, в слое толщиной δ, образуя проводящий цилиндр. Распределения по радиусу температуры Т и проводимости σˆ представлены на рис. 3.70, по существу, это полный аналог каналовой модели дуги, ее называют "моделью металлического цилиндра". Следует отметить, что реально можно управлять давлением p (желательно делать его побольше!) и потоком <ЕН>, определяемым ампер-витками: <ЕН> ~ ~ IN (где I − ток, N − число витков на единицу длины индуктора).

Примерно на порядок более высокую концентрацию плазмы позволяет получить геликонный разряд (рис. 3.71). В этой разновидности индукционного разряда, происходящего в продольном магнитном поле с индукцией 0,005 – 0,05 Тл, применяется специальная антенна, на которую подается частота 1 – 50 МГц. Сама антенна может быть различной конструкции. Поглощение этой волны в плазме путем бесстолкновительного затухания Ландау или за счет столкновений и приводят к увеличению концентрации плазмы до 1013 см3 при давлении ~ 0,1 Па.

386

(см. рис. 3.72) почти вся мощность поглощается в струе газа (превращающейся в плазму): внешняя поверхность столба плазмы и

Генерация плазмы возможна при очень низком давлении газа, что позволяет применять такой разряд для прецизионного травления в микроэлектронике. Так как температура ионов очень мала, а при низких давлениях ионы имеют очень большую длину пробега, то они попадают на находящийся под отрицательным потенциалом электрод без столкновений с энергией, точно соответствуюшей

этому потенциалу. Концентрация плазмы в ЭЦР разряде не очень велика ~ 1011 – 1012 см–3.

Отсутствие электродов в ВЧ- и СВЧ-разрядах предопределили их широкое использование в плазменных источниках заряженных частиц, например в ВЧ-плазмотронах.

388

3.7.6. Магнетронный разряд

Принципиальным в магнетронных системах является наличие скрещенных электрического и магнитного полей. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система. В случае использования постоянного магнита силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы.

Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны (ионэлектронная эмиссия) совершают движение по характер-

ным в скрещенных E и H полях траекториям (циклоидам и трохоидам) у поверхности мишени. Электроны оказываются в ловушке, создаваемой, с одной стороны,

магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны – поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Электроны циркулируют в этой ловушке, совершая множество ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате каждого из них электрон тратит полученную от электрического поля энергию на ионизацию. В силу не строгой перпендикулярности электрического и магнитного полей электроны будут постепенно дрейфовать к аноду, но большая их часть, прежде чем попасть на анод, многократно ионизуют атомы рабочего газа. Таким образом, наличие магнитного поля увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к росту концентрации положительных ионов у поверхности катода.

389

Напряжение зажигания в магнетронной системе значительно ниже, чем в обычных диодных системах. Это объясняется тем, что еще до наложения электрического поля электроны, всегда присутствующие в рабочей камере и обеспечивающие первые акты ионизации в развитии лавинного пробоя газового промежутка, захватываются магнитной ловушкой. Концентрация электронов около поверхности катода оказывается выше, чем в объеме камеры, что и способствует возникновению разряда при более низких напряжениях. Напряжение зажигания падает с ростом магнитного поля и может быть снижено до 200 В при повышении магнитного поля до 0,1 Тл. Увеличение магнитного поля позволяет также зажигать магнетронный разряд при более низких давлениях. Система может работать в диапазоне давлений от 10–2 до 1 Па и выше. Ток разряда зависит от рабочего напряжения, давления рабочего газа, индукции магнитного поля, конфигурации магнетронной системы, распыляемого материала и определяется мощностью источника питания. При давлении p = 10–5 1 Торр и магнитном поле В = 300 1000 Гс вольт-амперная характеристика хорошо апроксимируется соотношением I = kUn, где I – ток, U – напряжение разряда, а k и n – постоянные, зависящие от конструкции разрядного устройства, рода газа, давления и величины магнитного поля. Показатель n > 1 сохраняется до величин плотностей тока j ≤ 0,3 А/см2; напряжение при этом достигает 400 600 В. Плотность плазмы в этих условиях

вующую области перпендикулярности электрического и магнитного полей. Преобладающим механизмом эмиссии электронов с катода в стационарном магнетронном разряде является, как и для тлеющего разряда, вторичная ион-электронная эмиссия. Основная ионизация происходит за счет развития электронных лавин, а условием поддержания разряда является условие Таунсенда.

Сильноточный магнетронный разряд (2 на рис. 3.74) реалии-

зуется с наибольшей вероятностью в диапазоне давлений 10–3 10–1 Торр и магнитных полей с индукцией 0,4 1,0 кГс. Напряжение на разряде монотонно увеличивается с ростом тока до

некоторого максимального значения Udmax 500 1200 В до перехода разряда в сильноточный диффузный или дуговой режим. При

390