Диссертация (Исследование процессов эрозии катода и тепломассообмена между микрокаплями и плазмой вакуумно-дугового испарителя с арочным магнитным полем), страница 21

Сплошными и пунктирными линиями157показаны графики, соответствующие расчёту с арочным магнитным полем ибез него соответственно.Рисунок 5.19.Изменение температуры медной капли для различных диаметров при еёдвижении от катодаВблизи катода дугового испарителя происходит резкое увеличениетемпературы капли из-за высокой плотности прикатодной плазмы вследствиеинтенсивной бомбардировки потоком направленных ионов и тепловымиионами. При дальнейшем движении капли от катода плотность плазмыснижается, что вызывает снижение плотности тепловых потоков на каплю иуменьшение температуры капли.

При удалении от катода снижаетсяконцентрация плазмы и увеличивается диаметр дебаевской сферы, чтоприводит к росту теплового потока, приносимого на каплю тепловыми ионами.Арочное магнитное поле вызывает повышение концентрации плазмывблизи катода и, следовательно, локальное увеличение температуры капли.Однако, увеличение температуры капли на значительном расстоянии от катоданесущественно и не превышает 5 % (для размера капель более 0,5 мкм) посравнению с режимом без арочного магнитного поля.Изменение диаметра капли меди при движении от катода к подложкепроиллюстрировано на Рисунке 5.20.

Сплошными линиями показан результат158расчёта с арочным магнитным полем, пунктирными – расчёт без магнитногополя.абРисунок 5.20.Динамика изменения диаметров (а) и массы (б) движущихся в плазме капельразличного начального размера при наличии арочного магнитного поля(сплошная линия) и при его отсутствии (пунктирная линия)При движении капли от катода в плазме разряда без арочного магнитногополя наблюдается полное испарение капель с начальным диаметром не более0,2 мкм на пролётном расстоянии 0,25 м.

Размер капель с начальным диаметромболее 0,2 мм практически не уменьшается, так как уменьшение составляет 1,041,06 раза. В арочном магнитном поле ситуация резко изменяется. Арочноемагнитное поле обеспечивает повышение концентрации плазмы в прикатоднойобласти, рост температуры капли и, следовательно, вызывает увеличение159скорости испарения капли. В результате, в плазме разряда с арочныммагнитным полем происходит полное испарение капель с начальным размеромдо 0,4 мкм. Диаметр капель с начальным размером более 0,4 мкм уменьшаютсяв 1,2-2,5 раза.Размер капли уменьшаются тем быстрее, чем меньше размер и массакапли.

Температура капли при этом соответственно увеличивается. Такимобразом, расчёт показывает, что капли меди размером менее 0,4 мкмпрактически полностью могут испаряться в межэлектродном зазоре.Следует отметить, что увеличение индукции арочного магнитного поля с4 до 12 мТл приводит к увеличению напряжения разряда на величину от 4 до11 В. Основное падение напряжения при этом приходится на областьприкатодной плазмы, где подвижность электронов поперёк линий магнитногополя существенно снижена. Таким образом, дополнительный вклад мощности вприкатодную область при токе разряда 100 А оценивается как 400-1100 Вт.

Этамощность расходуется на увеличение концентрации и температуры электронов,что в свою очередь приводит к увеличению скорости испарения капель вмежэлектродном зазоре.Аналогичные расчёты были проведены для других материалов для случаяс арочным магнитным полем. На Рисунке 5.21 приведены графики изменениятемпературы капли при её движении от катода, рассчитанные для титана,алюминия и кремния. На Рисунке 2.22 приведены графики изменения размеракапли.Вовсехслучаяхкаплиимеюттемпературузначительнонижетемпературы кипения, но выше температуры плавления материала и приходятна подложку в жидком состоянии, как было экспериментально показано ранее.Оценки показывают, что быстрее всего происходит испарение капельалюминия. Труднее всего испаряются капли титана и меди.

При принятыхпараметрах расчёта в объёме плазмы до столкновения с подложкой могутиспаряться капли алюминия размером до 0,5 мкм. Максимальные размеры160абвРисунок 5.21.Графики изменения температуры капли при её удалении от катода дляразличных материалова – титан; б – алюминий; в – кремний161абвРисунок 5.22.Графики изменения диаметра капли при её удалении от катода для различныхматериалова – титан; б – алюминий; в – кремний162капель титана и меди, которые испаряются до столкновения с подложкой,составляют значения около 0,41 и 0,43 мкм соответственно.

В Таблице 5.3приведены оценки температуры крупных капель диаметром 1 мкм в районеподложки на расстоянии 250 мм от катода; времени, за которое происходитиспарение капель с начальным диаметром 0,4 мкм; а также оценки размеракапель, которые полностью испаряются до соударения с подложкой нарасстоянии 250 мм от катода. Температура капель, приходящих на подложку,хорошо коррелирует с температурой плавления материала, а скоростьиспарения – с величиной, обратной теплоёмкости материала капли.

НаРисунке 5.23 приведены динамики изменения температур капель и динамикаизменения размера капли (испарения) для различных материалов (размер капли0,6 мкм).Таблица. 5.3.Оценки параметров испарения капель в плазме дугового разрядаТемпература капель размером 1 мкм, КВремя, за которое происходит испарениекапель размером менее 0,4 мкм, мсРазмер капель, которые полностьюиспаряются на расстоянии 250 мм от катода,мкмTi16370,570Al14640,082Cu14870,930Si16300,1000,410,500,430,47Таким образом, расчёты показали, что арочное магнитное поле являетсяэффективным способом интенсификации испарения капельной фазы в плазмевакуумно-дугового испарителя.

Показано, что в плазме разряда можетпроисходить полное испарение капель размером до 0,4-0,5 (в зависимости отматериала катода) при использовании внешнего арочного магнитного поля вприкатоднойобластииспарителя.Данныйвыводбылподтверждёнэкспериментально (см.

главу 3). При отсутствии арочного магнитного поляполное испарение возможно только для капель, чей размер не превышает0,2 мкм.163абРисунок 5.23.Влияние материала капли на динамику изменения температуры капли (а) и наскорость испарения капли (б)5.10. Оценка возможности полного испарения крупных капель в плазмевакуумно-дугового разрядаСогласно приведённым расчётам в плазме дугового разряда происходитиспарение капель размером менее 0,4-0,5 мкм в зависимости от материалакатода.

В то же время, в работах [86, 112] описан импульсный высоковольтныйвакуумно-дуговой разряд в продольном магнитном поле величиной до 130 мТл.164Магнитноеполеобеспечивалоудержаниеэлектроновотуходанацилиндрический анод. Ток разряда составлял от 50 до 150 А, амплитуданапряжения от 0,5 до 2 кВ, длительность импульса от 300 до 900 мкс. При токеразряда 150 А и длительности 900 мкс, температура электронов увеличиваласьдо 8-10 эВ при концентрации плазмы до 3·1019 м-3, что близко к рассчитанным внастоящей работе параметрам, необходимым для полного испарения капельразмером до 1 мкм.

При подобных параметрах наблюдалось испарениебольшинства крупных капель в разряде.При проведении расчётов влияния параметров плазмы на интенсивностьиспарения капель необходимо учитывать, что существенное увеличениеплотностиплазмы(давленияввакуумнойкамере)принанесениифункциональных покрытий нецелесообразно, так как при этом снижается длинасвободного пробега частиц и, следовательно, снижается скорость осажденияпокрытия. Разумным пределом увеличения давления в вакуумной камереявляетсявеличинапорядка0,4 Па,чтосоответствуетдостижимойконцентрации плазмы на уровне 5∙1019 м-3. Максимальная температураэлектронов, которая может быть достигнута в вакуумно-дуговом разряде сзамагниченной плазмой, соответствует 7-10 эВ [87, 112].Таким образом, можно определить следующий диапазон параметров длярасчёта: значения плотности плазмы составляют от 1016 м-3 до 5∙1019 м-3,значения температуры электронов составляют от 1 до 10 эВ.На Рисунке 5.23 показаны результаты расчёта динамики измененияразмера капли размером 1 мкм в зависимости от плотности плазмы и оттемпературы электронов.Наибольшеевлияниенадинамикуиспарениякаплиоказываетконцентрация плазмы, в то время как влияние температуры электроновсказывается менее заметно.

При увеличении расстояния между катодом иподложкой увеличивается пролётное время и, соответственно, время испарениякапли, что также влияет на изменение её массы.165абРисунок 5.23.Динамика испарения капли размером 1 мкм при увеличении концентрации(а) и температуры плазмы (б)В вакуумном дуговом разряде с арочным магнитным полем возможнообеспечить подобное увеличение концентрации плазмы и температурыэлектронов. Подобные условия предлагается создавать при использованииэффективных электронных ловушек, а также дополнительного ввода мощности,например, посредством плазмовода с геликоновым разрядом (Рисунок 5.24).ИсточникплазмыгеликоновоготипабылвпервыепредложенР.В. Босвеллом [171], и первая теория таких источников была развита Ф.

Ченом166[172]. Геликоновый разряд является эффективным источником плотной плазмыи представляет собой разновидность ВЧ индуктивного разряда в продольноммагнитном поле. Величина индукции продольного магнитного поля составляетпорядка 5-50 мТл. Частота источника питания разряда, как правило, составляет13,56 МГц. В отличие от обычного ВЧ разряда, где вклад мощности в плазмуосуществляется только в узком скин-слое вблизи антенны, в геликоновомисточнике плазмы поглощение мощности осуществляется во всём объёме.Типичные значения концентрации плазмы в применяемых источникахгеликоновой плазмы 1016-1019 м-3 при энергии электронов 2-7 эВ [173-175].Рисунок 5.24.Предполагаемое увеличение плотности плазмы при использованиигеликонового источника1 – катод; 2 – анод; 3 – корпус плазмовода (индуктор); 4 – вакуумная камера;5 – магнитная система; 6 – антенна ввода ВЧ-мощности; 7 – силовые линиимагнитного поляВысокая эффективность геликонового разряда основана на возбуждении виндуктореобъёмныхгеликоновыхволн.Геликоновыеволны–электромагнитные волны круговой поляризации, распространяющиеся вограниченном объёме.

В достаточно плотной плазме антенна возбуждает167геликоновую волну, которая затем становится источником возбуждениянизкочастотной потенциальной волны в замагниченной плазме (косаяленгмюровская волна или волна Трайвелписа-Гоулда). Эта волна сильнозатухает в плотной плазме и, таким образом, разогревает её [176].Предполагается, что совместная работа вакуумно-дугового испарителя игеликонового источника при дополнительном напуске легкоионизуемого газапозволит добиться увеличения плотности плазмы и температуры электронов дозначений, обеспечивающих испарение большей части капель с диаметром до1 мкм в плазме вакуумно-дугового разряда, а, следовательно, существенноеснижение массовой доли капельной фазы.Таким образом, для полного испарения капель диаметром до 1 мкм впродуктахэрозиикатодавакуумно-дуговогоиспарителянеобходимоувеличивать концентрацию плазмы до значений порядка 5·10-19 м-3.