Исследование плазменного разряда в вакуумной камере

Цель работы: изучение механизма возникновения плазменного разряда, исследование вольт-амперных характеристик тлеющего разряда, исследование влияния давления, расстояния между электродами и напряжения на параметры плазменного разряда.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Плазма – состояние вещества, при котором в веществе присутствуют электроны, ионы, нейтральные атомы и молекулы. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) лишились одного или нескольких электронов, т. е. превратились в положительные ионы.

Основные характеристики плазмы: температура, плотность (число свободных электронов (ионов) в единице объема), степень ионизации (отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц), квазинейтральность (плотность отрицательных зарядов равна плотности положительных зарядов). Плазма также характеризуется ярким свечением.

Для получения плазмы используют электрический газовый разряд. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуются заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле, т. е. создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, например, нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), облучением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи, γ-излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект). Такой разряд, создаваемый внешними источниками, называется несамостоятельным.

К самостоятельным разрядам относятся искровой, дуговойитлеющий разряды, которые принципиально отличаются друг от друга по способам образования электронов у катода или в межэлектродном промежутке.

Искровой разряд. Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишком сильно отличается от однородного (например, два плоских электрода с закругленными краями или два достаточно больших шара), то при некотором напряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода.

Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Е _к (критическая напряжен-ность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.

Возникновение пробоя объясняется следующим образом. В газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может оказаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый электрон и положительно заряженный остаток – ион. Механизм лавинной ионизации показан на рис. 4.1.

Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрыв электрона от атома – работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.

Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивают число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.

Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя.

Таким образом, при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация). Величина Е _к увеличивается с увеличением давления.

При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла.

 

 

Рис. 4.1. Механизм лавинной ионизации при искровом разряде

 

Дуговой разряд. В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, чаще всего получают между специальными угольными электродами, изготовленными прессованием порошкообразного графита и связующих веществ (дуговые угли). Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся на положительном электроде и называемое кратером дуги.

Дуговой разряд возможен между тугоплавкими металлическими электродами, с этим связаны многочисленные практические применения плазмы дугового разряда в электродуговых печах для плавки высоко-качественных сталей, при электросварке металлов, а также в генераторах непрерывной плазменной струи – так называемых плазмотронах.

Установлено, что хорошая электропроводность дуги поддерживается за счет высокой температуры отрицательного электрода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии. Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия.

Тлеющий разряд. Различные формы холодного или тлеющего разряда создаются  в  вакуумной  камере  при  низких  давлениях и напряжениях около 1 кВ. В этом случае катод испускает электроны по механизму так называемой автоэлектронной эмиссии, когда электрическое поле у поверхности катода просто вытягивает электроны из металла.

Сам процесс ионизации в плазме газового разряда неразрывно связан с прохождением тока и носит характер ионизационной лавины. Это означает, что появившиеся в газовом промежутке электроны за время свободного пробега ускоряются электрическим полем и перед столкновением с очередным атомом набирают энергию, достаточную для того, чтобы ионизовать атом, т. е. выбить еще один электрон. Таким способом происходит размножение электронов в разряде и установление стационарного тока.

Если к электродам, находящимся в вакуумной камере, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из камеры, то наблюдаются следующие явления. При атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и камера остается темной. При уменьшении давления газа (около 5,3–6,7 кПа) в некоторый момент в камере возникнет разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод. При дальнейшем уменьшении давления (около 1,3 Па) этот шнур расширяется, а свечение вблизи катода ослабевает.

При давлениях газа порядка 1–100 Па разряд имеет вид, как показано на рис. 4.2.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой (первое катодное свечение, или катодная пленка), за которым следует темный слой, получивший название катодного темного пространства. Это тёмное пространство затем переходит в светящийся слой (тлеющее или отрицательное свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. Темное пространство возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток, называемый вторым или фарадеевым темным пространством. Указанные части называются катодными частями разряда. За вторым темным пространством лежит светящаяся область, простирающаяся до анода, или положительный столб. В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоев, или страт.

 

 

Рис. 4.2. Структура тлеющего разряда

 

Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации электронными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной бомбардировки быстрыми положительными ионами (а также вследствие фотоэффекта, вызванного излучением разряда) с катодом вылетают электроны, которые движутся к аноду. Эти электроны в области катодного падения потенциала сильно ускоряются и при последующих соударениях с атомами газа их ионизируют. В результате опять появляются положительные ионы, которые, снова устремляясь на катод, производят новые электроны и т. д. Таким образом, основными процессами, поддерживающими разряд, являются ионизация электронными ударами в объеме и вторичная электронная эмиссия на катоде.

При нанесении тонких пленок используют два метода генерации потока частиц в вакууме: термическое испарение и ионное распыление.

Тлеющий разряд используют для ионного распыления металлов(получение проводящих слоев изделий микроэлектроники), т. к. вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлической пленки на подложках. Важным фактором, определяющим эксплуатационные особенности и конструкции установок ионного распыления, является способ генерации ионов, бомбардирующих мишень. В соответствии с этим установки ионного распыления оснащаются простой двухэлектродной (диодной) и магнетронной системами.

Диодная система. Между катодом и анодом поддерживается тлеющий разряд. Ионы генерируются ударной ионизацией атомов инертного газа ускоренными электронами. Ионы ускоряются электрическим полем и бомбардируют катод – мишень (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Диодная система ионного распыления

 

Магнетронная система. Между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд. В скрещенном электрическом и магнитном полях электроны прижимаются к поверхности мишени, многократно ионизируя атомы аргона (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Магнетронная система ионного распыления

 

Тлеющий разряд может использоваться для модификации (например упрочнения) поверхности стальных деталей. Она заключается в том, что в плазме тлеющего разряда происходит образование ионов (азота, углерода), которые под действием высокого напряжения, приложенного между плазмой и деталью, получают энергию, достаточную для внедрения в поверхностный слой металла и образования соединений (нитридов, карбидов), способствующих упрочнению поверхности детали. В этом случае вольт-амперная характеристика имеет вид, представленный на рис. 4.5.

 

 

Рис. 4.5. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда постоянного тока:

1 – темная катодная область; 2 – коронный разряд; 3 – область нормального тлеющего разряда; 4 – область аномального горения разряда; 5 – дуговой разряд

 

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) газового разряда. При несамостоятельном разряде ионы в газовом промежутке создаются исключительно внешним ионизатором.

ВАХ – кривая, отображающая связь между током через газовый промежуток и напряжением на нем (для несамостоятельного разряда показана на рис. 4.6). С повышением напряжения на газовом промежутке ток сначала возрастает (ОА), а потом достигает насыщения и остается практически постоянным (АБ), что соответствует полному вытягиванию на электроды зарядов, создаваемых внешним ионизатором.

При дальнейшем повышении напряжения ток снова начинает возрастать (БВ). Это значит, что имеющиеся ионы, и прежде всего электроны, за период между двумя последовательными столкновениями набирают такую энергию, что возникают вторичные ионы. При этом возникают и развиваются электронные лавины (газовое усиление). В результате газового усиления концентрация ионов возрастает до величины, которая линейно или сильнее зависит от первичной ионизации. При этом разряд остается несамостоя-тельным.

 

Рис. 4.6. ВАХ несамостоятельного газового разряда

 

В достаточно сильном электрическом поле проводимость газа может возрасти скачком – напряжение пробоя. Если после возникновения пробоя убрать внешний ионизатор, то разряд не прекращается. Разряд перейдет в режим самостоятельного разряда: теперь ионизация поддерживается процес-сами в самом разряде.

Напряжение пробоя (или потенциал зажигания U _з) зависит только от произведения давления на длину разрядного промежутка, причем эта зависимость имеет минимум  (рис. 4.7). Таким образом, для заданного давления имеется такая длина разрядного промежутка, при которой потенциал зажигания и соответствующее ему поле минимальны.

 

 

Рис. 4.7. Зависимость потенциала зажигания U _з от произведения давления Р на длину d -разрядного промежутка (кривая Пашена) для воздуха

 

Экспериментально ВАХ газового проводника (например, промежутка между двумя электродами, помещенными в вакуумную камеру, заполненную газом) снимают с помощью схемы, представленной на рис. 4.8. Цепь содержит источник постоянного напряжения U, величину которого можно изменять в пределах примерно от ста вольт до нескольких киловольт, и переменное сопротивление R, называемое балластным, или нагрузочным. Это сопротивление необходимо для ограничения тока в цепи и стабилизации разряда. Цепь содержит также токоизмерительный прибор А и вольтметр V, измеряющий напряжение U между электродами.

 

Рис. 4.8. Схема для снятия ВАХ газового промежутка

 

ВАХ для конкретного газового проводника зависит прежде всего от давления газа.

Все работы по исследованию характеристик газового разряда проводятся на модернизированной вакуумной установке ВУП-1 (рис. 4.9).

 

 

Рис. 4.9. Лабораторная установка ВУП-1

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Напустить воздух в вакуумную камеру и поднять ее.

2. Установить расстояние между электродами: 10, 12, 16 мм.

3. Закрыть камеру и провести откачку воздуха.

4. Установить с помощью натекателя давление, заданное преподавателем.

5. Включить блок высокого напряжения. Изменение величины напряжения осуществляется поворотом рукоятки ЛАТРа по часовой стрелке.

6. Снять зависимости тока тлеющего разряда от напряжения (построить ВАХ), давления и расстояния между электродами. Значение тока контролируется  по шкале амперметра.

7. Выключить блок высокого напряжения. Выключить вакуумный насос.

8. Напустить воздух в вакуумную камеру.

9. Выключить высокое напряжение. Прекратить откачку из камеры и включить натекание. Выключить механический насос и вакуумную установку.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Цель работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Графические зависимости: ВАХ разряда, зависимость тока от давления и от расстояния между электродами.

4. Анализ результатов и выводы по работе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое плазма?

2. Каковы основные характеристики плазмы?

3. Какие существуют виды самостоятельных разрядов?

4. Что такое лавинная ионизация?

5. Какие операции можно выполнять с помощью плазмы тлеющего разряда при производстве изделий микроэлектроники?

6. Как влияет давление газа и расстояние между электродами на вольтамперную характеристику тлеющего разряда?

7. В чем суть закона Пашена?

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Плазменная металлизация в вакууме/ А. П. Достанко [и др.] Мн.: –Наука и техника,  1983. – 279 с.

2. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Электричество. / Д. В. Сивухин. Мн.: – Навука i тэхнiка, 1993. – 532 с.

3. Калашников, С. Г. Электричество. / С. Г. Калашников. – 6-е изд. стер. –М.: Физматлит, 2003. – 624 с.

Лабораторная работа№5