Диссертация (1025198), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Приходом ионного пучка на этот зонд пренебрегали.Зонды были изготовлены из танталовой фольги толщиной 0,1 мм.Размеры зондов составляли 3,3х3,2 мм. Собирающая поверхность элементовкрепления зондов не учитывалась. Расстояние между зондами составляло 4 мм,что значительно больше толщины двойного слоя вокруг зондов. Такимобразом, влияние зондов друг на друга было исключено. Каждый из зондовимел отдельный источник питания смещения. Сигнал, пропорциональный токузонда, снимался с резистора номиналом 11 кОм. Параллельно резисторуподключаласьёмкостьноминалом30 мкФдляподавлениянаводок.Регистрация параметров зонда проводилась четырёхканальным осциллографомTektronix TDS 2002.
Измерения проводились при токе разряда дуговогоиспарителя 100 А. Материал катода – титан. Расстояние до катода составляло250 мм.Измерения проводились в течение двух секунд с последующимусреднением по времени. Отношение I ib / I iT величин токов направленногодвижения ионов к току тепловых ионов на зонды при напряжении на них минус20 В составляет величину 3,3.99абРисунок 3.28.Система плоских одиночных электрических зондов для измерениясоотношения концентраций тепловых ионов и ионов в пучкеа – схема системы зондов: 1 – зонд регистрации тока ионов пучка; 2 – зондрегистрации тока тепловых ионов; 3 – керамический корпус; 4 – пучок ионовс катода; 5 – тепловые ионы из плазмы; б – внешний вид системы зондов: 1 –катод дугового испарителя; 2 – вакуумная камера-анод; 3 – зонд,регистрирующий ток направленных ионов; 4 - зонд, регистрирующий токтепловых ионов; 5 – керамический корпус зонда с заземлённым экраном; 6 –опора зондаПри определении соотношения концентраций тепловых ионов и ионовпучка были приняты следующие допущения:1.
Током на торцевые поверхности зондов можно пренебречь.1002. На зонды приходит только ионный ток.3. Распределение по энергиям тепловых ионов – максвелловское.4. Ионный пучок моноэнергетичен, а ионы в пучке распространяютсяпрямолинейно.5. Ионный ток на зонд в режиме насыщения при подаче отрицательногосмещения пропорционален концентрации ионов.Таким образом, концентрацию направленных и тепловых ионов с учётомуравненияквазинейтральностиплазмыможновычислитьизсистемыуравнений1/2 2kTe I ib Z ср enibVi S з + 0, 4eniT = 2S з mi 1/2 2kTe I = 0, 4eniT 2S з. iT mi I ib I = 3,3 iTne Z cp nib + niT =(3.15)В уравнение тока направленных ионов на зонд внесена поправка,учитывающая также ток тепловых ионов на зонд. Таким образом,1/2 2kTe 0,8 nib I ib mi =−1niT I iTZ срViСучётомуравнения=0,18 .квазинейтральностиплазмы(3.16)получим,чтоniT = 0,85ne, nib = 0,15ne.
То есть доля тепловых ионов составляет fiT = 0,85, доляионов в пучке составляет fib = 0,15 (с учётом заряда ионов). Это соответствуетконцентрации плазмы в районе зондов 1,9·1016 м-3. При расчёте было принято,что заряд иона титана Zср = 2,1, скорость иона Vi = 2,2·104 м/с [53], температураэлектронов Te = 5 эВ.Таким образом, из полученных величин концентраций ионных компонентможно заключить, что в плазме дугового разряда на расстоянии от катода250 мм присутствует одновременно как хаотически движущиеся ионы степловыми энергиями, так и высокоэнергетичный ионный пучок. При этом в101объёме плазмы преобладают хаотически движущиеся ионы с тепловойэнергией.3.8.
Исследование испарения капель при движении в плазме вакуумнодугового разрядаВ дуговом разряде с арочным магнитным полем предполагается двамеханизма снижения количества капель: подавление процесса образованиякапель в катодном пятне и испарение капель в плазме дугового разряда.Эффективность первого механизма зависит от величины индукции арочногомагнитного поля и свойств материала катода, в то время как второй механизмсвязан с параметрами плазмы в разрядном промежутке, размерами итеплофизическими характеристиками самих капель.Из расчётов по опубликованным ранее моделям [115, 117] следует, чтопри удалении от катода количество мелких капель должно уменьшаться, в товремя как количество крупных капель должно быть неизменным.
Такимобразом, для проведения экспериментальной проверки достаточно оценитьсоотношение количества капель различного размера на разном расстоянии откатода. Измерения проводились на расстояниях L от катода 100 и 300 мм.Согласно проведённым расчётам, для титана происходит испарение капельразмером менее 0,55 мкм, размер капель 1 мкм и более практически неизменяется.
Таким образом, достаточно найти отношение количества капельследующих диапазонов размеров: N0,2-0,5 – число капель размером от 0,2 до0,5 мкм; N1,0-1,3 - число капель из диапазона размеров от 1,0 до 3,0 мкм(Рисунок 3.31).Было рассмотрено два режима работы: при индукции арочногомагнитного поля на поверхности катода B = 0 мТл и при индукции арочногомагнитного поля B = 7 мТл.Количество капель в плазме оценивалось в конденсатах, полученных наподложках размером 30х40 мм, изготовленных из флоат-стекла марки М1.Осаждение покрытия проводилось при открытии заслонки работающего102испарителя в течение 15 и 135 секунд на расстояниях 100 и 300 ммсоответственно. Время осаждения покрытия рассчитывалось, как величина,пропорциональная квадрату расстояния от катода.
При этом на подложку,находящуюся на разных расстояниях от катода осаждалось покрытиеодинаковой толщины и приходило примерно одинаковое число капель. Схемаопределения соотношения количества капель в конденсатах на различныхрасстояниях приведена на Рисунке 3.32.Рисунок 3.31.Положение выбранных диапазонов капель на функции распределения капельпо размерамабРисунок 3.32.Схема определения соотношения количества капель в конденсатах наразличных расстоянияха – L = 100 мм; б – L = 300 мм103Вид подложек после осаждения покрытий приведён на Рисунке 3.33.Показаны покрытия, осаждённые на различном расстоянии от катода как безарочного магнитного поля, так и при его наличии.Индукция арочного магнитного поля 0 мТлИндукция арочного магнитного поля 7,0 мТлабРисунок 3.33.Капли в конденсатах, осаждённых на различных расстояниях от катодадугового испарителяа – L = 100 мм; б – L = 300 ммПодсчёт капель проводилсянаодинаковыхплощадяхпокрытия8,2·10-2 мм2 и при равном увеличении (увеличение х700, поле зрения330х248 мкм).
В Таблице 3.7 приведены полученные результаты измерений:количество капель N0,2-0,5 и N1,0-1,3, общее количество капель диапазонов Σ,отношение количества капель N 0,2−0,5 / N1,0−3,0 . Данные проиллюстрированы наРисунке 3.34. Показано, что при удалении от катода относительное количество104мелких капель уменьшается, в то время как количество крупных капель наподложке остаётся неизменным: N 0,3−0,5 N 0,3−0,5 > N1,0−3,0 100 N1,0−3,0 300(3.17)Результаты экспериментальной проверки свидетельствует о том, чтоотносительное количество мелких капель уменьшается при увеличениирасстояния от подложки, то есть мелкие капли испаряются в плазме разряда.Также показано, что арочное магнитное поле, создавая в прикатодномпространстве локальное увеличение концентрации плазмы, вызывает болееинтенсивное испарение капель.Таблица 3.7.Результаты измерений относительно количества капельd, мкмN1,0-3,0N0,2-0,5ΣN 0,2−0,5N1,0−3,0B = 0 мТлL=100 ммL=300 мм48,445,2624253,2672,4298,412,95,6B = 7 мТлL=100 ммL=300 мм40,842440201,6480,8243,610,84,8Рисунок 3.34.Количество мелких и крупных капель на различном расстоянии от катода приразличных индукциях арочного магнитного поля (титан, площадь участка8,2·10-2 мм2)105В тоже время, при увеличении индукции арочного магнитного поляпроисходит также снижение количества крупных капель размером от 1 до3 мкм.
Учитывая, что капли этих размеров практически не испаряются, можнозаключить, что арочное магнитное поле также создаёт условия для подавленияобразования капель в катодном пятне. Наиболее вероятным механизмомподавления образования капель является снижение температуры материалакатода в катодном пятне и количества расплавленного материала в нём приувеличении скорости движения катодных пятен по поверхности катода варочном магнитном поле.Таким образом, экспериментально показано, что в плазме вакуумнодугового разряда происходит испарение капель с диаметром менее 0,5 мкм, в товремя как капли размером 1 мкм и более испаряются незначительно. Фактиспарения капель в плазме разряда позволяет сделать вывод о том, чтосуществует два механизма снижения количества капель в продуктах эрозиидугового испарителя: подавление образования капель в катодном пятне врезультате увеличения скорости движения катодных пятен в арочноммагнитном поле и испарение мелких капель в плазме дугового разряда.106ГЛАВА 4.
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КАПЕЛЬНОЙ ФАЗЫ4.1. Топология поверхности капель в конденсатахПри конденсации капель на подложке происходит их деформациявследствие столкновения с поверхностью. При этом форма капли (её отпечатка)свидетельствует о её фазовом состоянии при контакте с подложкой: плоскиеотпечатки образуются при соударении жидкой капли с подложкой, сферические– при прилипании твёрдой капли.
Данные о количестве и форме капель наподложке позволяют оценить их объём, вычислить массовую долю капель впокрытии и определить размер капель перед столкновением с подложкой.На Рисунке 4.1 приведены микрофотографии капель на подложке дляразличных материалов, полученных на атомно-силовом микроскопе. Размерснимков 20х20 мкм. Образцы были получены при токе разряда 100 А ииндукции арочного магнитного поля 6 мТл.
Время напыления составило15 секунд.Можно определить три формы капель на подложке: «сфера», «диск»,«атолл» (последний тип капель определён согласно терминологии [92]). НаРисунке 4.2 приведены микрофотографии капель трёх типов. На Рисунке 4.3приведены профилограммы капель и их схематические изображения. Каплититана малого размера в основной массе имеют форму сферы, крупные каплиимеют форму типа «диск». Капли алюминия и меди могут иметь как формудиска, так и форму типа «атолл». Практически все капли кремния имеют форму«атолл».Форма капель на подложке зависит от фазового состояния капли,температуры капли в момент прихода на подложку, от скорости капли, оттеплофизических параметров материала капли, от температуры подложки и др.Для характеристики формы отпечатков был введён безразмерныйпараметр – аспектное отношение A.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
