Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Разряды низкого давления для генерации интенсивных низкоэнергетичных ионных потоков 8
1.1. Генерация низкоэнергетичных ионных потоков в системах с извлечением и транспортировкой 9
1.2. Генерация газоразрядной плазмы при низком давлении 17
1.3. Разрядные системы с инжекцией электронов и их осцилляцией..29
1.4. Выводы и постановка задач исследований 34
Глава II. Методика и техника эксперимента 37
2.1. Газоразрядная система с инжекцией электронов на основе несамостоятельного дугового разряда с холодными катодами 37
2.2. Эмиттер электронов на основе дугового контрагированного разряда
2.3. Методика и техника измерения параметров газоразрядной плазмы 54
2.4. Выводы 65
Глава III. Процессы генерации объемной плазмы в разрядной системе с инжекцией электронов из дугового контрагированного разряда 67
3.1. Характеристики и параметры разрядной системы 67
3.1.1. Первая разрядная ступень (эмиттерный разряд) 67
3.1.2. Характеристики основного разряда 69
3.2. Влияние собственного магнитного поля инжектированного пучка 75
3.3. Пространственное распределение концентрации плазмы 79
3.4. Влияние внешнего аксиального магнитного поля на процессы генерации плазмы 82
3.4.1. Влияние конфигурации и величины магнитного поля на ионный ток коллектора 84
3.4.2. Особенности генерации плотной плазмы в системе с одним соленоидом 91
3.5. Выводы 96
Глава IV. Генераторы объемной газоразрядной плазмы с эмиттером электронов на основе дугового контрагированного разряда 98
4.1. Генераторы объемной газоразрядной плазмы 98
4.1.1. Генератор объемной газоразрядной плазмы "SPACE-Г' ...98
4.1.2 Генератор объемной газоразрядной плазмы "SPACE-2"..105
4.2. Генератор плазмы, локализованной в малом объеме 113
4.2.1. Источник ультра-низкоэнергетичных интенсивных ионных потоков "SPACE-3" (ULEHIIS) 113
4.2.2 Рабочие характеристики генератора плазмы "SPACE-3"..l 19
4.3 Выводы 123
Заключение 125
Список литературы 130
Содержание 142
Приложение 144
- Генерация газоразрядной плазмы при низком давлении
- Эмиттер электронов на основе дугового контрагированного разряда
- Первая разрядная ступень (эмиттерный разряд)
- Генератор объемной газоразрядной плазмы "SPACE-Г'
Введение к работе
Современное состояние и дальнейшее развитие ионно-плазменных методов модификации поверхностных свойств различных материалов невозможно без непрерывного совершенствования разрядных устройств, обеспечивающих требуемые параметры плазмы: концентрацию заряженных частиц в заданном объеме и ее равномерность, энергию частиц и масс-зарядовый состав ионов в плазме, максимальную долю ионов примесей и ряд других.
Среди используемых для этих целей различных ионно-плазменных устройств, разрядные системы с внешней инжекцией электронов выгодно отличаются возможностью реализации разряда с пониженным напряжением горения в более широком диапазоне рабочих давлений. Такие устройства основаны на двухступенчатой разрядной ячейке с «холодными» (ненакаливаемыми) электродами. Первая разрядная ступень обеспечивает инжекцию электронов с управляемой энергией и током в область основного разряда. Несмотря на необходимость использования дополнительного разряда для обеспечения инжекции электронов, тем не менее, благодаря значительному уменьшению напряжения горения основного разряда, энергетическая эффективность такого устройства оказывается выше, по сравнению с генераторами объемной плазмы на основе тлеющего разряда. При инжекции электронов напряжение горения разряда и, соответственно, потенциал плазмы, понижаются до уровня, когда энергии ионов, покидающих плазму, оказывается недостаточно для заметного распыления электродов и стенок вакуумной камеры. Это обуславливает малую долю примесей в плазме и делает такие разрядные системы привлекательными для применения в технологиях обработки полупроводниковых материалов.
Раннее, до начала данной работы, на основе разрядной системы с внешней инжекцией электронов было создано несколько различных модификаций источников газовых ионов и генераторов плазмы. В этих устройствах в первой разрядной ступени для инжекции электронов применялся тлеющий разряд с полым катодом. При всех известных достоинствах тлеющего разряда, его максимальное значение тока ограничено возникновением на поверхности электродов катодных пятен и переходом в дуговой режим горения. Для предотвращения дугообразования необходимо использование специальных мер, таких как выбор соответствующего материала катода, секционирование и кондиционирование поверхности катода, а также использование источника электропитания, обеспечивающего прерывание тока дуги в случае ее возникновения. Указанные способы позволяют несколько повысить ток диффузной формы разряда, но они не решают проблему в целом. Кроме того, относительно высокое напряжение горения тлеющего разряда приводит к интенсивному распылению катодной поверхности в результате ионной бомбардировки, снижая ресурс такого эмиттера и увеличивая долю примеси в плазме основного разряда.
Достижение предельного значения тока тлеющего разряда в первой разрядной ступени ограничивает дальнейшее повышение тока инжектируемых электронов, а, следовательно, не позволяет повысить плотность плазмы основного разряда. Замена в первой ступени разрядной системы тлеющего разряда на дуговой является логичным и очевидным решением проблемы снятия ограничения по току разряда, а, следовательно, и по току инжектируемых электронов. Использование для этого дугового контрагированного разряда представляется наиболее целесообразным, поскольку, с одной стороны, это позволит, по крайней мере, на порядок величины повысить значения тока инжектируемых электронов, а уменьшение напряжения горения разряда обеспечит высокую энергетическую эффективность устройства в целом. С другой стороны, экранирование катодной области дугового разряда малым отверстием в контрагирующем электроде позволит существенно снизить «засорение» плазмы продуктами эрозии материала электрода в катодном пятне.
Таким образом, тематика диссертационной работы, направленная на исследование процессов генерации плазмы в разрядной системе с внешней ин-жекцией электронов, для случая, когда эмиссия инжектируемых электронов осуществляется из плазмы дугового контрагированного разряда, представляется актуальной, поскольку решение данной проблемы обусловит дальнейшее развитие перспективного направления техники генерации ионных пучков и плазменных потоков.
Основными задачами настоящей работы являются:
1. Реализация разрядной системы с внешней инжекцией электронов, в которой для генерации инжектируемых электронов используется дуговой кон трагированный разряд.
2. Исследование на основе данной разрядной системы условий генерации однородной газоразрядной плазмы в больших объемах и формирование интенсивных ионных потоков низкой (сверхнизкой) энергии.
3. Создание на основе проведенных исследований генераторов газоразрядной плазмы, обладающих более высокими параметрами и улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Реализована и детально исследована двухступенчатая разрядная система для генераторов объемной плазмы с инжекцией электронов из плазмы дугового контрагированного разряда низкого давления.
2. Предложена, реализована и детально исследована двухкомпонентная структура полого катода дугового контрагированного разряда без внешнего магнитного поля, обеспечивающая высокий ресурс эмиттерного узла генераторов плазмы.
3. Для предложенной разрядной системы исследованы условия генерации и определены параметры плотной однородной плазмы в больших объемах (до 1 м3).
4. Определены условия генерации интенсивных ионных потоков низкой энергии в разрядной системе с инжекцией электронов в аксиально-симметричном неоднородном магнитном поле.
Практическая ценность работы состоит в том, что на основании проведенных исследований созданы генераторы объемной газоразрядной плазмы и источник низкоэнергетичных интенсивных ионных потоков, отличающиеся большей достигнутой плотностью плазмы, более высокой эффективностью и улучшенными эксплуатационными параметрами и характеристиками. Кроме того, результаты работы могут быть использованы в ряде других устройств, использующих аналогичные или близкие по принципу действия разрядные структуры.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
Первая глава носит обзорный характер и посвящена критическому анализу известных из литературы данных о физических процессах генерации объемной плазмы в разрядах низкого давления, а также извлечения и транспортировки интенсивных низкоэнергетичных ионных потоков на основе разрядов такого типа. Особое внимание уделено разрядным системам с внешней инжекцией электронов. Обоснована целесообразность реализации отбора ионов из окружающей мишень объемной плазмы при контроле ее потенциала и ускорении их в слое между плазмой и мишенью. В заключение главы сформулированы основные задачи исследований.
Вторая глава посвящена методике и технике эксперимента. Описана конструкция экспериментального макета разрядной системы и особенности работы такой системы. Рассмотрена методика измерения параметров плазмы с использованием зондовых методов и электростатического энергоанализатора. Приведены результаты, позволяющие значительно увеличить ресурс работы катода дугового разряда.
В третьей главе представлены результаты исследования процесса генерации объемной плазмы в разрядной системе с инжекцией электронов из дугового контрагированного разряда. Рассмотрены основные процессы и определены факторы, влияющие на однородность генерируемой плазмы. Описаны особенности генерации плотной плазмы при наложении на область инжекции электронного пучка внешнего аксиально-симметричного неоднородного магнитного поля. Показано влияние конфигурации и величины магнитного поля на процесс формирования интенсивного потока низкоэнергетичных ионов в такой системе.
В четвертой главе приведены конструкции и характеристики разработанных в результате проведенных исследований генераторов плазмы на основе газового разряда низкого давления с инжекцией электронов из дугового контрагированного разряда. Представлены результаты, позволяющие оптимизировать параметры и характеристики созданных устройств для обеспечения требований реального технологического процесса.
На основании полученных результатов формулируются следующие научные положения:
1. В двухкаскадной разрядной системе генератора однородной объемной плазмы на основе разряда с внешней инжекцией электронов, использование в первом каскаде (инжекторе электронов) вместо тлеющего разряда контрагиро-ванной дуги с холодным катодом не оказывает влияния на однородность распределения параметров генерируемой плазмы, но приводит, в результате увеличения тока инжектируемых электронов и снижения напряжения горения, к повышению эффективности ее генерации приблизительно на порядок величины, увеличению концентрации плазмы и снижению уровня загрязнения плазмы продуктами распыления материала электродов.
2. В двухкаскадной разрядной системе с инжекцией электронов из дугового контрагированного разряда с полым катодом, в который помещен элемент рабочего материала с более низким пороговым током дуги, предотвращается эрозия стенок полого катода, осуществляется многократное и полное использование рабочего материала, что, в сочетании с возможностью восполнения рабочего материала и отсутствием внешнего магнитного поля, многократно повышает ресурс работы устройства.
3. В генераторе плазмы на основе разряда с внешней инжекцией электронов установившееся распределение потенциала плазмы обеспечивает преимущественную транспортировку ионов вдоль оси системы по направлению к коллектору. Создание в такой разрядной системе аксиально-симметричного неоднородного магнитного поля, достаточного лишь для замагничивания электронного компонента плазмы, не оказывает влияния на движение ионов в осевом направлении, но приводит к образованию потенциальной ямы в радиальном распределении потенциала плазмы, снижающей потери ионов на стенках камеры.
4. На основе разрядной системы с инжекцией электронов из плазмы дугового контрагированного разряда создан ряд устройств, обеспечивающих генерацию однородной плазмы в объеме порядка 1 м3 с концентрацией до 8-Ю10 см"3. Сочетание разрядной системы такого типа с внешним аксиально-симметричным неоднородным магнитным полем позволяет получать направленные потоки низкоэнергетичных ионов с током в непрерывном режиме до 4,5 А и энергетическим разбросом не более 10 эВ.
Генерация газоразрядной плазмы при низком давлении
В предыдущем разделе было показано, что получение интенсивных низкоэнергетичных ионных потоков методом ускорения и транспортировки ионного пучка практически нереализуемо из-за необходимости обеспечения чрезвычайно низкой температуры электронов, компенсирующих пространственный заряд ионов в пучке. Тем не менее, физические особенности процессов генерации плазмы в большинстве случаев далее будут рассматриваться независимо от наличия или отсутствия в конкретном устройстве системы формирования и ускорения ионного пучка, поскольку большинство типов разрядов, локализованная плазма которых используется в качестве эмиттера ионов, потенциально может применяться (либо применяется) также и для генерации объемной плазмы.
Принципиальной особенностью газовых разрядов низкого давления является факт существенного превышения длины свободного пробега заряженными частицами характерных размеров разрядного промежутка. Таким образом, для генерации плотной газоразрядной плазмы необходимо обеспечить эффективное взаимодействие электронного потока с катода с рабочим газом для осуществления процесса его ионизации при низких макроскопических сечениях процесса самой ионизации. Это реализуется за счет обеспечения многократных осцилляции электронов в разрядных структурах с магнитными и электрическими полями, или за счет создания условий релаксации кинетической энергии электронов при их взаимодействии с плазмой, а также комбинацией указанных методов.
В СВЧ- и ВЧ-разрядах нагрев и осцилляция ионизующих электронов обеспечивается за счет электромагнитных волн, вводимых в разрядную камеру. Плазменные источники на основе СВЧ- [35,36] и ВЧ- [37,38] разрядов, благодаря доступности и разнообразию промышленно выпускаемых микроволновых генераторов, нашли широкое применение для проведения процессов взаимодействия потоков плазмы и ионов с поверхностью твердого тела [39-41]. К преимуществам источников данного типа также следует отнести достаточно широкий диапазон рабочего давления, составляющий от единиц до 10"3 Па.
Особо следует отметить источники СВЧ-плазмы на электронно-циклотронном резонансе. Магнитное поле в таком типе разряда используется как для обеспечения условий ЭЦР, так и для удержания энергетичных электронов [42]. Данные источники характеризуются, как правило, достаточно высокой плотностью плазмы, широким диапазоном рабочих давлений. Кроме того, отсутствие накаленных частей и распыляемых электродов, а также магнитная изоляция плазмы от стенок камеры позволяют генерировать плазму с низкой степенью загрязнения. Оптимизация магнитной системы, а также подбор давления рабочего газа и мощности СВЧ-излучения позволяют получать достаточно однородную плазму с концентрацией 10 см [43] -10псм"3[44]. Вместе с тем, объем генерируемой плазмы в таких источниках, как правило, не превышает 10" м , а увеличение объема генерируемой плазмы накладывает серьезные требования к магнитной системе и ведет к росту доли энергии, расходуемой на создание магнитного поля. Таким образом, использование данных генераторов ограничено лабораторными экспериментами или технологией обработки относительно малоразмерных мишеней.
В магнетронном [45] и пеннинговском [46] разрядах средняя длина траектории электронов, ускоренных в катодном падении потенциала, многократно превышает характерный размер разрядного промежутка, так как магнитное поле, направленное поперек разрядного промежутка, затрудняет движение электронов на анод и приводит к их многократной осцилляции. В отличие от разрядов в скрещенных электрическом и магнитном полях, в разряде с полым катодом электроны совершают многократные колебания, отражаясь от катодного падения потенциала [47-49]. Принципиальное отличие тлеющего разряда с полым катодом, функционирующего при низком давлении газа, от «классической» формы этого типа разряда заключается в том, что основная ионизация осуществляется не в виде электронной лавины в катодном слое разряда [50], а во всем объёме катодной полости, заполненной газоразрядной плазмой.
Для значений, типичных для низковольтного тлеющего разряда с полым катодом, протяженность катодного падения составляет менее 1 мм. В то же время, длина ионизации Хе электрона, ускоренного в катодном падении, при давлении около 5-10 Па составляет около 1 м.
Геометрия разрядной системы оказывает значительное влияние на условия генерации разрядной плазмы, и, следовательно, на параметры разряда [51,52]. В работе [53] приведена зависимость напряжения горения разряда с полым катодом Uj от давления р для различных объемов катодной полости и площади анодного отверстия.
Отклонение параметра (S(/SK) от оптимального соотношения ведет к увеличению напряжения горения разряда. Данный вывод был также подтвержден в работе [54], где на основе прямого измерения потенциала плазмы с использованием системы термоэмиссионных зондов было показано, что увеличение напряжения горения разряда (рис. 1.6) при значениях, меньших оптимального, происходит за счет появления положительного анодного падения потенциала плазмы, а при значениях (S(/SK), превышающих оптимальное - за счет роста катодного падения разряда при увеличении доли потерь быстрых ионизующих электронов из катодной полости на аноде разряда.
Таким образом, было показано, что оптимизация геометрии разрядного промежутка для разряда с полым катодом с характерными размерами десятки сантиметров не позволяет достичь рабочих давлений менее 10" - 10" Па при напряжении горения сотни вольт.
Использование разряда с полым катодом для генерации плазмы в больших объемах принципиально возможно. Для этого достаточно ввести в камеру изолированный анод с оптимальной площадью, а заземленную вакуумную камеру использовать в качестве катода. Однако поток распыленных атомов со стенок камеры будет приводить к значительному загрязнению поверхности обрабатываемой детали [55,56].
Эмиттер электронов на основе дугового контрагированного разряда
Выбор материала и геометрии катода значительно влияет на основные характеристики плазменного источника, такие, как срок службы, период между обслуживанием и стабильность работы источника. Для генерации плотной газовой плазмы в больших объемах требуется обеспечить эмиссию электронов в катодную область основного разряда с плотностью тока не менее 101-102 А/см2.
Известно, что в вакуумном дуговом разряде плотность тока на катоде составляет 10-10 А/см [94]. В то же время, попытка транспортировки пучка электронов такой плотности, ввиду действия пространственного заряда, ограничивающего ток, требует приложения достаточно большой разности потенциала, определяемой по закону Чайлда - Ленгмюра. В вакуумной дуге нейтрализация электронного потока осуществляется ионами, эмиттируемыми катодным пятном. В системах на основе дуги с холодным полым катодом поток ионов металла осаждается на стенки и практически не выходит за пределы полости. Для более устойчивого горения разряда необходим дополнительный напуск газа. Образующиеся при этом газовые ионы компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов в разрядном промежутке. Тем самым обеспечивается прохождение к аноду эмиттированных с катода электронов при существенно меньшей требуемой разности потенциалов. Если при этом катод выполнен в виде полости с малой выходной апертурой, то дополнительно создается локальное повышение давления в катодной полости, обеспечивающее стабильное зажигание и горение разряда.
Одним из главных преимуществ полокатодной геометрии разрядной системы является «перепыление» испаряемого материала внутри полости с относительно малым его выходом через катодную апертуру. Это позволяет значительно увеличить ресурс дугового катода. В таких системах получены рекордно малые значения удельной эрозии материала катода [95], составляющие 10 9-10"10г/Кл, в то время как типичные значения данной величины в дуговом разряде составляют 10"4 - 10"6г/Кл. Простые оценки показывают, что унос материала за счет катодного распыления в тлеющем разряде, при токе единицы ампер, составляет также величину порядка 10"5 г/Кл.
Снижение содержания примесей в дуговом разряде низкого давления обеспечивается, например, экранировкой катодного пятна, для чего между катодом и анодом вводится промежуточный электрод с малым отверстием [96]. Другим способом является фиксация области функционирования катодного пятна внутри полости малого диаметра с помощью магнитного поля [73-76]. Однако значительная эрозия катода в области максимума магнитного поля приводит к необходимости перемещения магнитной катушки, либо использования сканирующей системы питания магнитного поля. С другой стороны, в отсутствии магнитного поля катодное пятно перемещается произвольным образом по всей поверхности катода, что способствует его более равномерной выработке.
Определенные таким образом значения порогового тока для меди и магния составили 1,6 и 0,2 А. В тоже время, в реальных условиях горения дуги, в результате изменения состояния поверхности катода, для стабильного образования эмиссионных центров и устойчивого горения разряда в течении продолжительного времени (минуты и более) значения тока должны быть в несколько раз выше порогового.
В эксперименте по сравнению удельной эрозии материала катода в дуговых разрядах с плоским или полым катодами использовалась двухступенчатая разрядная система представленная на рис.2.4. Медный полый катод эмиттерного разряда 1 размещался внутри полого промежуточного электрода 3. Поджигающий электрод размещался на торце катода. Через другой торец катода производилась подача рабочего газа в полость. Дуговой разряд зажигался на магниевом поджигающем электроде. Методом взвешивания определялся унос массы электрода, а затем путем деления этой массы на количество протекшего электричества q — I At, где / - ток, At - время протекания тока в дуге, определялся удельный унос массы. Полученная таким образом величина удельной эрозии магния составила величину порядка 100-10"6 г/Кл и достаточно хорошо согласуется с известными данными [94,98]. Поскольку доля паров в общей эрозии мала, не более нескольких процентов от общей эрозии по данным [99] и 10-20% по данным [98], а ионная эрозия составляет (19-5-25)-10"6 г/Кл [99-101], оставшуюся долю представляет собой капельная фракция.
Катод эмиттерного разряда представлял собой двухслойную структуру. Для этого в корпус катода, изготовленный из меди - материала с достаточно высоким пороговым током дуги, помещался магний - материал с низким пороговым током. В диапазоне токов разряда между пороговыми токами материалов катодное пятно функционировало преимущественно на поверхности магния, способствуя равномерному распределению материала второго компонента по поверхности первого. По мере локальной выработки магния до медной основы катодное пятно переходило на участок с материалом с более низким пороговым током. Полая форма катода способствовала запылению выработанного участка новой магниевой пленкой. При достаточном количестве магния медный корпус катода практически не подвергается эрозии и не требует замены в течение длительного времени. Для предотвращения образования катодного пятна на внешней поверхности катод был закрыт экранирующим электродом, выполненным из нержавеющей стали. Для определения удельной эрозии магния в дуговом разряде с полым катодом был проведен следующий эксперимент. В медный катод помещались отдельные фрагменты магния определенной массы. В диапазоне токов разряда между пороговыми токами магния и меди измерялось время стабильного горения разряда до начала погасаний. Появление нестабильностей разрядного тока интерпретировалось как переход катодного пятна с магния на медь. В каждой следующей экспериментальной серии поверхность медного катода тщательно очищалась. Как показали эксперименты зависимость времени устойчивого горения дугового разряда от количества магния, помещенного в катодную полость, практически линейна (рис.2.5). Полученная на основании анализа данных эксперимента величина удельной эрозии магния в дуговом разряде с полым катодом составила приблизительно 1-Ю 6 г/Кл, что в десятки раз меньше величины ионной эрозии на плоском катоде. Фактор уменьшения удельной эрозии в дуговом разряде, в результате процесса перепыления материала в полости, очевидно, должен быть пропорционален отношению полной внутренней поверхности катода к площади его выходной апертуры.
Первая разрядная ступень (эмиттерный разряд)
В исследуемом генераторе плазмы первая разрядная ступень обеспечивает, в результате эмиссии из плазмы, электронный пучок, инжектируемый в область генерации объемной плазмы. Параметры и свойства этого эмиттерного разряда характерны для дугового контрагированного разряда низкого давления, подробно изученного в [65,92,107,108]. В диапазоне величин токов разряда от 3 А до 20 А, реализованных в первой разрядной ступени, напряжение горения разряда составляло 30-40 В (рис.3.1). При этом разряд имеет пологую вольтамперную характеристику (ВАХ). Напряжение горения разряда слабо падает с ростом давления (рис.3.2). Нижний предел тока эмиттерного разряда при малом давлении (менее 6-Ю" Па) связан с ограничением токопрохождения через канал контрагирования [92], вследствие недостаточной компенсации газовыми ионами отрицательного пространственного заряда электронов в разрядном промежутке.
Наложение аксиального магнитного поля в области эмиттерного разряда должно затруднять движение электронов поперек поля, что может приводить к повышению напряжения его горения. Однако, из-за повышенного давления внутри полости катода, частота столкновений электронов оказывается сравнимой или даже превышает ларморовскую частоту. Поэтому электроны достаточно свободно перемещаются поперек магнитного поля в результате столкновений. В этих условиях доля разрядного напряжения, сосредоточенная между катодом и фильтрующим электродом, повышается в присутствие магнитного поля лишь на единицы вольт. Напротив, падение напряжения между фильтрующим электродом и анодом эмиттера может увеличиваться на десятки вольт, поскольку давление в этой области эмиттерного разряда существенно ниже, чем в области полого катода. Обратим внимание также на тот факт, что возрастающий отрицательный потенциал фильтрующего электрода в этом случае может являться причиной загрязнения генерируемой плазмы вследствие ионного распыления. Как показали эксперименты, повышение напряжения на эмиттерном разряде в магнитном поле можно существенно уменьшить при использовании в разрядной системе фильтрующего электрода с экранировкой его полости магнитным материалом.
Поскольку параметры генерируемой плазмы напрямую связаны с параметрами и характеристиками основного разряда, основное внимание в данной работе было посвящено исследованию этого разряда.
Влияние давления газа в вакуумной камере на ток, концентрацию и потенциал плазмы основного разряда для изолированного анода иллюстрируется экспериментальными зависимостями, представленными на рис.3.3. Видно, что повышение давления газа приводит к росту концентрации плазмы, обусловленному, очевидно, увеличением скорости ионизации. При этом доля энергии инжектированных электронов, расходуемая на ионизацию, увеличивается, и, соответственно, доля энергии, уносимая электронами, преодолевшими потенциальный барьер и достигшими стенок разрядной камеры - уменьшается.
Наблюдаемое в эксперименте снижение потенциала плазмы при росте давления [ПО] объясняется известным эффектом снижения температуры электронов с увеличением давления [92]. Очевидно, что плазма с более высокой температурой электронов (при низком давлении) заряжается относительно стенок до более высокого потенциала. В то же время, реализуемая в этих условиях большая величина барьера удерживает быстрые электроны в плазме, и этим несколько компенсирует уменьшение скорости ионизации при уменьшении давления газа.
Проведенные измерения [111] также показали, что температура электронов слабо зависит от напряжения основного разряда, изменяясь в пределах от 8 до 10 В во всем диапазоне напряжений (20 - 150 В). Поэтому и потенциал плазмы слабо изменялся (в пределах 5+10%) с ростом напряжения основного разряда и, в зависимости от давления газа, составлял 10+23 В. За счет большей подвижности электронов потенциал плазмы основного разряда оказывается выше потенциала стенок, так что ионы могут беспрепятственно уходить из плазмы.
Генератор объемной газоразрядной плазмы "SPACE-Г'
Конструкция одного из первых генераторов объемной длазмы с использованием дугового разряда в первой ступени разрядной системы, получившего название " SPACE-1" (Source of Plasma with Additional Cold Emitter), представлена на рисунке 4.1. Все электроды созданного устройства изолированы от заземленной вакуумной камеры, имеют проточное водяное охлаждение и размещены в вакуумноплотном корпусе 1 из нержавеющей стали с габаритными размерами 330x240x230 мм. Корпус катода эмиттерного разряда 4 длиной 80 мм и диаметром 10 мм выполнен из меди и имеет выходное отверстие размерами 80x2 мм. В качестве материала, на котором функционирует катодное пятно, использовался магний, помещенный внутрь медного катода 4. Для предотвращения образования катодного пятна на внешней поверхности, катод был помещен в экран 11 из нержавеющей стали, для которой минимальный ток дуги существенно выше, чем для магния [94]. Катод эмиттерного разряда 4 размещался внутри полого промежуточного электрода 3 длиной 200 мм и диаметром 110 мм, выполненного также из нержавеющей стали. Конструкция генератора позволяла ориентировать выходное отверстие катода дугового разряда как в сторону основного разряда, так и в противоположную сторону. В первом случае, обеспечивались условия для стабильного инициирования дуги при минимальном рабочем давлении, во втором - существенно снижался уровень «загрязнения» плазмы основного разряда продуктами эрозии из катодной области эмиттерного разряда. В последнем случае, для облегчения токопрохождения в начальный момент формирования разряда промежуточный электрод 3 соединялся через резистор сопротивлением 1 кОм с катодом основного разряда 8, являющимся одновременно анодом эмиттерного разряда. Эмиссионное окно в катоде основного разряда размером 150x15 мм перекрывалось сменными вольфрамовыми стержнями. Геометрическая прозрачность эмиссионного окна составляла 70 %. Анодом основного разряда служили цилиндрические электроды 9 диаметром 14 мм, расположенные по двум сторонам эмиссионного канала. При этом рабочая поверхность анодов была расположена вне области катодного падения потенциала.
В противном случае ток основного разряда может замыкаться лишь быстрыми электронами, имеющими энергию, достаточную для преодоления тормозящего электрического поля катодного падения. Система питания была изолирована от потенциала земли. При этом, положительный вывод источника питания эмиттерного разряда был соединен с отрицательным выводом источника питания основного разряда. Потенциал плазмы относительно стенок заземленной вакуумной камеры зависел от давления рабочего газа и находился в диапазоне +10 + +30 В. Инициирование эмиттерного разряда осуществлялось пробоем по поверхности керамического изолятора при подаче высоковольтного импульса (5 кВ, 25 мкс) между поджигающим электродом 6 и катодом 4. Давление в разрядной системе регулировалось изменением расхода рабочего газа, напускаемого в полый катод эмиттерного разряда 4 через трубку 12. Для предотвращения развития разряда в области повышенного давления, трубка была изолирована от корпуса катода через керамический изолятор 2. Промежуточный электрод 3 имел сменные вставки с различной шириной канала контрагирования. Выбор размеров выходной апертуры катода дугового разряда 4 и промежуточного электрода 3 позволил, с одной стороны, поддерживать перепад давлений, необходимый для стабильного зажигания и горения дугового контрагированного разряда, а с другой - обеспечить равномерное распределение электронного тока по длине канала контрагирования, уменьшив тепловую нагрузку на эмиссионную сетку.
Максимальный ток разряда для данной конструкции был ограничен теплоотводом катода дугового разряда и составлял 10 А в непрерывном режиме. Ввиду относительно невысоких значений тока эмиттерного разряда собственное магнитное поле пучка инжектированных электронов не оказывало существенного влияния на однородность генерируемой плазмы. По этой причине в данной конструкции отсутствовали дополнительные рассеивающие электроды. Напряжение основного разряда, соответствующее минимальной цене иона, составляло 80-90 В. Внешний вид генератора плазмы SPACE-1" и электродная система разрядной ячейки показаны на рис. 4.2. На рис. 4.3 представлены основные характеристики генерируемой плазмы. Максимальное рабочее давление ограничено локализацией плазмы вблизи катода основного разряда, связанной, в свою очередь, с уменьшением длины релаксации инжектированных электронов, а также требованиями к проведению технологических процессов, например ионного травления и составляет около 1-Ю"1 Па. В табл. 4.1 приведены основные параметры генератора плазмы "SPACE-1".
Ресурсные испытания генератора плазмы "SPACE-1" с различными газами, в том числе и с кислородом, осуществленные в рамках совместных исследований с Центром передовых технологий по плазменной модификации поверхности (г.Сувон, Корея) показали стабильную работу генератора в течение более 100 часов. При работе генератора на кислороде наблюдалось частичное окисление рабочего материала (магния) в катодной полости с образованием непроводящего порошка, что увеличивало расход рабочего материала в 2-3 раза. В ходе испытаний генератора была показана возможность совмещения в одной технологической вакуумной камере генератора и вакуумного дугового или магнетронных напылительных устройств для осуществления эффективной очистки поверхностей крупногабаритных деталей с площадью более 1 м2.
