Электрофизические процессы в газовом разряде с сэндвич-мишенью (ВАХ)

1.

Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра физической электроники и технологии
Изучение электрофизических процессов
в газовом разряде с сэндвич-мишенью
(ВАХ)
Студент: Кочин А.В.
Группа: 5208
Руководитель: д.т.н., профессор Шаповалов В. И.

2.

Цель: Изучение газового разряда магнетрона с горячей,
холодной и сэндвич мишенями и исследование процессов,
которые оказывают влияния на их вольт-амперные
характеристики.
Задачи:
1. Разработать экспериментальный стенд для
исследования вольт-амперных характеристик;
2. Измерить вольт-амперные характеристики;
3. Проанализировать поведение вольт-амперных
характеристик и сделать вывод о процессах, которые
оказывают влияние на их вид.
2

3.

Конструкция распыляемого блока
5
4
1
2
3
Рисунок 1 – Распыляемый блок с сэндвич-мишенью: 1 –
внешняя мишень; 2 – крепежное кольцо, обеспечивающее
зазор между мишенями; 3 – внутренняя мишень,
охлаждаемая проточной водой; 4– болты; 5 – прорези
3

4.

ВАХ магнетрона с горячей и холодной мишенью
в среде аргона
400
1
350
3
250
6 5
4
200
150
0
50
U, B
U, B
2
300
100
150
j, мА/см2
200
250
300
410
390
370
350
330
310
290
270
250 0
1
2
3
50
4
5
100 150 200 250 300
j, мА/см2
Рисунок 2 – ВАХ разряда магнетрона с
Рисунок 3 – ВАХ разряда
титановой горячей мишенью в среде
магнетрона с титановой холодной
аргона при давлении (мТорр): 1-2; 2-3;
мишенью в среде аргона при
3-4; 4-5; 5-6; 6-7
давлении (мТорр): 1-2; 2-3; 3-4; 4-5;
5-7
4

5.

ВАХ магнетрона с сэндвич-мишенью с диаметром отверстий
12 мм в среде аргона
330
1
2
310
3
290
U, B
270
250
4
230
5
6
210
190
170
150
0
50
100
150
200
2
j, мА/см
250
300
Рисунок 4 – ВАХ разряда магнетрона с титановой сэндвич-мишенью в
среде аргона с диаметром отверстий 12 мм при давлении (мТорр): 1-2;
2-3; 3-4; 4-5; 5-6; 6-7
5

6.

ВАХ магнетрона с сэндвич-мишенью с диаметром отверстий
17 мм в среде аргона
380
360
340
1
U, B
320
300
2
280
260
240
3
220
200
180
0
100
j, мА/см2
200
300
Рисунок 5 – ВАХ разряда магнетрона с титановой сэндвич-мишенью в среде
аргона с диаметром отверстий 17 мм при давлении (мТорр): 1-2; 2-3; 3-4
6

7.

Разряжение газа как процесс влияющий
на ВАХ мишени
J spTi
j jT (Т t ) ,
STi
e(1 Ti )
(1)
BTi
ATi
Тt
J evTi
10
2 mTi kТ t
(2)
7

8.

1019
3
4
J, с-1
2
5
6 7
1
1018
0
40
80
1200
j, мА/см2
Рисунок 6 – Потоки частиц титана при работе магнетрона с горячей
мишенью в аргоне: Jsp (1) и Jev (2, 3, 4, 5, 6, 7) (мТорр): 2-2; 3-3; 4-4; 5-5;
6-6; 7-7
.
8

9.

Sотв
,
St
(3.3)
BCr
ACr
Тt
J Cr ev
10
,
2 mCr kТ t
J Crsp
SCr
j
,
e(1 Cr )
(3.4)
(3.5)
J spST (1 ) J Tisp J Crsp ,
(3.6)
J evST (1 ) JTiev J Crev ,
(3.7)
9

10.

Температурные зависимости для сэндвич-мишени с
диаметром отверстий 12 мм
1900
1800
1
1700
2
\
2
3
4
Т, К
1600
5
6
1500
1400
1300
1200
1100
1000
0
50
100
150
200
250
300
j, мА/см2
Рисунок 7 – Зависимость температуры от плотности тока для
сэндвич-мишени диаметром 12 мм при давлении (мТорр): 1-2; 2-3;
3-4; 4-5; 6-7
.
10

11.

Температурные зависимости для сэндвич-мишени с
диаметром отверстий 17 мм
2000
2
1900
1
1800
1700
3
Т, К
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
0
50
100
150
j, мА/см2
200
250
300
Рисунок 8 – Зависимость температуры от плотности тока для сэндвичмишени диаметром 17 мм при давлении (мТорр): 1-2; 2-3; 3-4
.
11

12.

J, с-1
1019
5
7
6
1
4
3
2
1018
0
40
j,
мА/см2
80
120
Рисунок 9 – Потоки частиц титана при работе магнетрона с сэндвич-мишенью
с диаметром отверстий 12 мм в аргоне: Jsp (1) и Jev (2, 3, 4, 5, 6, 7) (мТорр): 2-2;
3-3; 4-4; 5-5; 6-6; 7-7
.
12

13.

1018
J, с-1
3
4
2
1017
1
1016
0
80
40
120
j, мА/см2
Рисунок 11 – Потоки частиц титана при работе магнетрона с сэндвичмишенью с диаметром отверстий 17 мм в аргоне: Jsp (1) и Jev (2, 3, 4)
(мТорр): 2-2; 3-3; 4-4
13

14.

102
4
101
3
2
100
1
40
80
120
10-1
7
6
10-2
5
j, мА/см2
Рисунок 12 – Токи термоэлектронной (2, 3, 4, 5, 6, 7) и ионно-электронной (1)
эмиссии при работе магнетрона с горячей мишенью при давлении аргона в
(мТорр): 2-2; 3-3; 4-4; 5-5; 5-5; 6-6; 7-7
14

15.

100
40
0
80
120
10-1
4
10-2
3
10-3
10-4
7
2
1
5
6
10-5
10-6
j, мА/см2
Рисунок 13 – Токи термоэлектронной (2, 3, 4,5,6,7) и ионноэлектронной (1) эмиссии при работе магнетрона с сэндвич-мишенью с
диаметром отверстий 12 мм при давлении аргона в (мТорр): 2-2; 3-3;
4-4; 5-5; 5-5; 6-6; 7-7
15

16.

100
10-1
10-2
2
10-3
10-4
1
3
4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
0
80
40
120
j, мА/см2
Рисунок 14 – Токи термоэлектронной (2, 3, 4) и ионно-электронной (1)
эмиссии при работе магнетрона с сэндвич-мишенью с диаметром
отверстий 17 мм при давлении аргона в (мТорр): 2-2; 3-3; 4-4
16

17.

Выводы:
Выполненный анализ позволил установить, что с разрежением газа,
происходящим вблизи мишени, конкурирует термоэлектронная эмиссия.
как видно из рисунков 12, 13 и 14 при увеличении давления уменьшается и
значение тока термоэлектронной эмиссии. При пересечении зависимостей
ионно-электронной
и
термоэлектронной
эмиссии
на
рисунках
можно
наблюдать точки, которые свидетельствуют о том, что в данных точках
термоэлектронная эмиссия на данных значениях плотности тока играет
бóльшую роль, а далее и вовсе становится преобладающим процессом. Это же
и отражено на соответствующих ВАХ, которые были приведены на рисунках 2,
4и5
13

18.

для сэндвич-мишени с диаметром отверстий 12 мм термоэлектронная
эмиссии будет вносить существенный вклад и преобладать на промежутке от
69 до 83 мА/см2. В свою очередь рисунок 3 этой подтверждает.
для сэндвич-мишени с диаметром отверстий 17 мм термоэлектронная
эмиссия становится преобладающей при токе на промежутке от 44 до 63
мА/см2. Точки значимости термоэлектронной эмиссии близки к точкам
максимума на ВАХ.
18

19.

Спасибо за внимание!