Автореферат (Исследование процессов эрозии катода и тепломассообмена между микрокаплями и плазмой вакуумно-дугового испарителя с арочным магнитным полем)

1!1осковский государственньтй техничеокий университет имениЁ. 3. Баумана (национальньтй исследовательский университет)[{а правах рукопцсцкиРиллов дАниил вясшс-]1Авов1д{|4сс1пдовАнив гРо1-рссов эРозии кАтодА итвпломАссооБмвнА 1\4вжду микРокАп-т1,1ми и ш-т1АзмойвАкуумно-дугового ислАРитР,ля с АРочнь1ммАгнитнь1м полвм€пециальность01.04.14 _ ?еплофизика и теоретическая теплотехникаАвтоРвФвРАтдиссертации на соискание уиёной степеникандидата технических наук1!1осква, 20|7ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыМетод вакуумно-дугового испарения относится к термическимметодам получения ионных и атомарных потоков вещества и используется ссередины 70-х годов для нанесения покрытий. В отличие от общепринятыхтермических методов, таких как резистивное и электронно-лучевоеиспарение, в которых испарение происходит из расплавленной области, вданном методе формирование потока материала происходит с поверхноститвёрдого холодного катода из катодного пятна.

Поток материала в виде пара,ионов и капель поступает в вакуумный объём, где осаждается на подложках(деталях). Метод позволяет обеспечивать высокую энергию частиц, гибкостьтехнологии и хорошую адгезию покрытия, но имеет существенныйнедостаток – присутствие в продуктах эрозии капельной фазы, состоящей измножества мелких капель материала катода.

Существующие методыснижения массовой доли капельной фазы (фильтрация плазмы, импульсныйрежим работы дугового испарителя) связаны со значительным снижениемэффективности метода, с усложнением и удорожанием конструкции.Альтернативным методом снижения массовой доли капель в покрытииявляется применение дуговых испарителей с арочным магнитным полем,сформированное таким образом, что магнитные силовые линии образуютарку над поверхностью катода и концами упираются в его поверхность. Приэтом пространство под вершинами арок образует на поверхности катодазамкнутую дорожку, по которой перемещаются катодные пятна.

Поле такойконфигурации впервые было предложено И.Г. Кесаевым и В.В. Пашковойдля удержания катодного пятна на поверхности катода дугового испарителя.Фактически, в области катодного пятна ток разряда всегда перпендикуляренлиниям магнитного поля, которые в этом месте параллельны поверхностикатода.Наложение арочного магнитного поля на катод заставляет катодныепятна двигаться внутри арки магнитного поля в направлении,противоположном силе Ампера.

Скорость направленного движениякатодных пятен увеличивается при этом в 5-10 раз, что изменяеттеплофизические условия испарения материала катода и снижает, какпоказали эксперименты, вероятность образования капель. Это приводит куменьшению количества капель в продуктах эрозии в несколько раз. Однако,применение арочного магнитного поля снижает скорость эрозии катода ивызывает значительную неравномерность выработки катода. Зона эрозииимеет вид узкой канавки («кинжальная выработка»), повторяющей формуарки. При этом за счёт формирования магнитной ловушки в прикатоднойобласти повышается концентрация плазмы, что может приводить кдополнительному нагреву и испарению капель. Всё это делаетперспективным применение арочного магнитного поля в дуговыхиспарителях для снижения массовой доли капельной фазы и позволяет с1незначительными затратами существенно повысить качество осаждаемыхпокрытий.В настоящее время не достаточно проработан вопрос примененияарочного магнитного поля в технологии вакуумно-дугового испарения: нетколичественных данных снижения скорости эрозии катода в арочноммагнитном поле и массовой доли капель в покрытии, недостаточноисследован вопрос формирования профиля зоны эрозии катода.Таким образом, актуальность работы обусловлена следующимиположениями:− необходимость разработки новых методов и систем для снижения доликапельной фазы в продуктах эрозии катода, вплоть до полногоподавления каплеобразования;− необходимы данные о влиянии арочного магнитного поля наинтегральные характеристики эрозии катода (скорость эрозии, формузоны эрозии, массовую долю капельной фазы в продуктах эрозии) ихарактеристики разряда для создания новых эффективных системвакуумно-дугового испарения со сниженной долей капельной фазы.Целью работы является разработка технических путей созданиявысокоэффективных вакуумно-дуговых испарителей с арочным магнитнымполем и минимальной долей капельной фазы.1.2.3.4.5.2Основными задачами, решаемыми в данной работе являются:Исследование влияния величины индукции арочного магнитного поля наинтегральные характеристики вакуумно-дугового испарителя (вольтамперные характеристики дугового разряда, ширина и форма зоны эрозиикатода, скорость движения катодных пятен по поверхности катода искорость эрозии катода).Исследование формы капель в конденсате на поверхности подложки вдиапазоне диаметров капель от 10 нм до 10 мкм для проведения оценкифазового состояния капель и оценки объёма материала, переносимогокапельной фазой.Определение функции распределения капель по диаметрам и массовойдоли капель в продуктах эрозии катода с учётом формы капель дляколичественной оценки эффективности применения арочного магнитногополя.Разработка математической модели процессов тепломассообмена междукаплей и плазмой вакуумного дугового разряда с арочным магнитнымполем и оценка возможности полного испарения капель с учётомизлучения капель субмикронных размеров и одновременным приходомна каплю тепловых ионов и ионного пучка со стороны катода.Разработка предложений по созданию систем со сниженной массовойдолей капельной фазы в продуктах эрозии катода вакуумно-дуговогоиспарителя.Достоверностьрезультатовтеоретическихисследованийобеспечивается использованием адекватных математических моделей иэкспериментальной проверкой полученных результатов.

Достоверностьэкспериментальных исследований гарантируется применением хорошозарекомендовавших себя методов и методик, а также использованиемсовременных средств измерения. Приведены оценки погрешностиизмерений.1.2.3.4.5.1.2.3.4.5.Научная новизна работы заключается в следующем:Впервые экспериментально показано и получены количественныехарактеристики снижения скорости эрозии катода вакуумно-дуговогоиспарителя с ростом величины индукции арочного магнитного поля длявсех исследованных материалов.Получены новые количественные данные о снижении массовой доликапельной фазы в 1,5-2,5 раза при увеличении величины индукцииарочного магнитного поля с 2,5 до 12 мТл для различных материаловкатода.Экспериментально и расчётным путём впервые показано, что снижениемассовой доли капель в покрытии происходит как за счёт подавленияобразования капель на поверхности катода, так и за счёт частичногоиспарения капель в разряде.Получены функции распределения капель по диаметрам в диапазоне от10 нм до 10 мкм в продуктах эрозии катода при различных значенияхиндукции арочного магнитного поля.Впервые проведено испарение хрупкого полупроводникового материала(кремний) в вакуумно-дуговом разряде с арочным магнитным полем внепрерывном режиме без термодеформационного разрушения катода.Практическая значимость работыПолучены данные для проектирования вакуумно-дуговых испарителей сарочным магнитным полем с катодами из различных материалов.Разработаны инженерные методики определения основных эрозионныххарактеристик вакуумно-дугового испарителя с арочным магнитнымполем.Разработана методика расчёта профиля выработки катода в арочноммагнитном поле.Даны практические рекомендации по снижению (вплоть до полногоисчезновения капель) массовой доли капельной фазы.Предложен новый способ испарения хрупких полупроводниковыхматериалов (таких, как кремний) в вакуумно-дуговом разряде с арочныммагнитным полем без термодеформационного разрушения катода внепрерывном режиме.3Апробация результатов работыОсновные положения работы докладывались на следующихконференциях и семинарах:1.

Научные семинары кафедры «Плазменные энергетические установкиМосковского государственного технического университета имени Н.Э.Баумана (Москва, 2013-2017).2. 28-е заседание Международного научно-технического семинара«Электровакуумная техника и технология» (Москва, 2006).3. III Международная научно-техническая конференция «Вакуумнаятехника, материалы и технология» (Москва, 2008).4.

VII Международная научно-техническая конференция «Вакуумнаятехника, материалы и технология» (Москва, 2012).5. VIII Международная научно-техническая конференция «Вакуумнаятехника, материалы и технология» (Москва, 2013).6. IX Международная научно-техническая конференция «Вакуумнаятехника, материалы и технология» (Москва, 2014).7. X Международная научно-техническая конференция «Вакуумнаятехника, материалы и технология» (Москва, 2015).ПубликацииОсновные научные результаты диссертации отражены в 12 научныхстатьях, в том числе в 11 статьях из Перечня ведущих рецензируемыхнаучных журналов и изданий, а также опубликованы тезисы 7 докладов.Личный вклад соискателяВсе работы были выполнены непосредственно автором.

Автором личнобыли разработаны: методика исследования продуктов эрозии катодавакуумно-дугового испарителя, методика расчёта формы зоны эрозии катода,методика определения временных характеристик катодного пятна,разработана математическая модель расчёта тепломассообмена междукапелей и плазмой вакуумно-дугового разряда. Все экспериментальныеработы, измерения, обработка экспериментальных данных, разработкарасчётных программ были выполнены автором лично.На защиту выносятся:1. Зависимости скорости эрозии катода при различных индукциях арочногомагнитного поля для различных материалов (титан, алюминий, медь,кремний).2.

Зависимости формы поперечного сечения профиля эрозии катода отвеличины индукции арочного магнитного поля для различныхматериалов (титан, алюминий, медь, кремний).3. Зависимости скорости движения катодных пятен от величины индукцииарочного магнитного поля для различных материалов (титан, алюминий,медь, кремний).44.

Результаты исследования формы капель в конденсате для различныхматериалов (титан, алюминий, медь, кремний).5. Функции распределения капель по диаметрам при различных индукцияхмагнитного поля для различных материалов (титан, алюминий, медь,кремний).6. Зависимости массовой доли капельной фазы в продуктах эрозии отиндукции арочного магнитного поля для различных материалов (титан,алюминий, медь, кремний).7.