Распыление поверхности электродов является одним ... ограничивающих срок службы газоразрядных приборов. Наличие на электроде

Распыление поверхности электродов является одним из факторов,
ограничивающих срок службы газоразрядных приборов. Наличие на электроде
поверхностного рельефа приводит к искривлению силовых линий
электрического поля в приэлектродном слое разряда, оказывающему влияние
на движение заряженных частиц. В результате этого может происходить
фокусировка ионов на вершинах рельефа, а также изменяться их
энергетический
спектр
вследствие
преимущественной
фокусировки
низкоэнергетичных ионов на вершинах рельефа. Поэтому основная
характеристика процесса распыления – усредненный по энергиям ионов
коэффициент распыления, существенно зависящий от энергий ионов, может
отличаться на различных участках электрода даже в случае, когда коэффициент
распыления его материала моноэнергетическим пучком ионов во всех его
точках имеет одинаковую величину. Однако количественные исследования
влияния сепарации ионов на элементах поверхностного рельефа на величину
коэффициента распыления не проводились.
В данной работе исследовано влияние параметров разряда и характеристик
рельефа на степень неоднородности коэффициента распыления в случае
наличия на электроде периодического рельефа малой амплитуды.
Пусть катодный слой тлеющего разряда расположен между плоскостью
z  0 и катодом с рельефной поверхностью, определяемой уравнением
zc  dc  hc cos kx , где k  2 / lc , d c - ширина катодного слоя, hc и lc амплитуда и период рельефа. Ионы рабочего газа, двигающиеся в рабочем газе,
подвергаются резонансной перезарядке на его атомах, интенсивность которой
характеризуется средней длиной пробега иона между перезарядками  c , а
между перезарядками ускоряются электрическим полем в направлении катода
[1]. Вследствие искривленности его поверхности, в приповерхностном слое
разряда толщиной порядка lc электрическое поле имеет ненулевую x компоненту, величина которой периодически изменяется вдоль оси x . В
результате происходит отклонение траекторий ионов в направлении вершин
рельефа, приводящее к нарушению однородности бомбардирующего мишень
ионного потока.
Для случая, когда искривленность поверхности мишени мала, т.е.
выполняется условие
hc  lc ~  c  dc ,
(1)
а следовательно, мала и неоднородность ионного потока вблизи нее, выражение
для функции распределения потока ионов по энергиям  в приэлектродном
слое, полученное ранее [2,3], имеет вид:
fi ( x, z, )  fi 0 ( z, )  fi1( z, )cos kx ,
(2)
где fi 0 ( z , ) и fi1 ( z , ) - функция распределения потока ионов у гладкого
электрода и поправка к ней, обусловленная искривленностью поверхности
электрода.
При этом распределение плотности потока ионов вдоль поверхности
катода (при z  d c ) имеет вид:
1
ji ( x, d c ) 
M
eU c

f i ( x, d c , ) d  .
(3)
0
Электрод распыляется бомбардирующими его ионами, если их энергии
превосходят пороговое значение t , причем зависимость коэффициента
распыления от энергии частиц имеет вид [4]:
Y ( / t )  A( / t )1/ 4 (1  t / )7 / 2 ,
(4)
где A - постоянная, зависящая от материала электрода и сорта ионов. Поэтому
плотность потока распыленных атомов материала электрода определяется
формулой
1
jsa ( x, dc ) 
M
eU c
 Y (  /  t ) f i ( x, d c , ) d  ,
(5)
t
а коэффициент распыления электрода ионами, усредненный по их энергиям,
равен:
Yi ( x)  jsa ( x, d c ) ji ( x, d c ) .
(6)
Подстановка в (3), (5) и (6) соотношений (2), (4) и выражений для fi 0 ( z , )
и fi1 ( z , ) с учетом условия (1) дает
(7)
Yi  x   Yi 0  Yi1 cos kx ,
где Yi 0 и Yi1 - коэффициент распыления ионами гладкого электрода и поправка к
нему, обусловленная искривленностью поверхности электрода,
Yi 0  Ri 0 , Yi1   (hc / c )  Ri1  Ri 0 (1  1/(1  kc )) ,
(8)
причем
1
Ri 0  (dc  c )
2
 Y  (1  t )   exp[ dc
 c (1  t )]dt ,
0
Ri1  (dc c )
1
2
 Y  (1  t )   exp[dc
c (1  t )]dt 
0
 (d c c )
1
2
 Y  (1  t )   exp[(dc
0
c )(1  k c )(1  t )]dt ,
  t eU c , U c - падение напряжения на катодном слое разряда.
Рассчитанные из (8) при   0,05 , hc /  c  0,1 ,  c / lc  2,0 зависимости
усредненного по энергиям ионов коэффициента распыления гладкого электрода
Yi 0 и поправки к нему Yi1 , возникающей из-за искривленности поверхности
электрода, от отношения dc c приведены на рисунке 1.
Рис. 1
На рисунке 2 представлены найденные зависимости плотности потока
распыленных атомов с гладкого электрода jsi 0 и поправки к нему jsi1 ,
возникающей из-за искривленности поверхности электрода.
Рис. 2
Из рисунков видно, что при наличии рельефа на поверхности электрода
коэффициент распыления имеет пониженное значение на его вершинах (при
x  lc / 2  nlc , где n - целое число). Плотность же потока атомов, распыленных
с электрода ионами, достигает на вершинах рельефа максимального значения
из-за большей плотности ионного потока на них.
Список литературы
1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987. — 592 с.
2. Kristya V.I. // Glow Discharges and Tokamaks/ Ed. Murphy S.A. — New York:
Nova Science Publishers, 2010. — P. 329—368.
3. Кристя В.И., Йе Наинг Тун Влияние неоднородности ионного потока на
распыление мишени с поверхностным рельефом в тлеющем разряде //
Поверхность. — 2013. — № 3. — С. 109-112.
4. Bohdansky J., Roth J., Bay H.L. // J. Appl. Phys. 1980. — V. 51. — № 5. —
P. 2861-2865.