1.РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ ВАКУУМНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ.

Исходные данные

P_газа=2·10^-4 мм рт. ст.;

U_п=130 В;

T_ст=300 К;

T_п=400°С=673 К;

I_р=250 А;

Соединение: NbSi₂.

Необходимо определить:

1)ионный ток насыщения j_{i max};

2)толщину двойного слоя, определяемую дебаевским радиусом экранирования λ_D;

3) потоки ионов металла и атомов молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени n_i, n_г ;

4)энергию, выделяемую на поверхности конденсации за единицу времени Δq;

5)количество газа, вступившего в реакцию с металлом n_x;

6) пороговое значение потенциала подложки U_пкр.

7) содержание неметалла C_x в соединении NbSi₂;

1.1. Схема процесса нанесения покрытия

Рис. 1.1. Схема ионно-плазменной обработки

Для создания ниобиевой плазмы служит вакуумно-дуговой испаритель. Так как кремний в нормальных условиях представлен в твердом состоянии, для создания газа используется электронно-лучевая пушка. Она сканирует кремниевую мишень, в результате чего она испаряется, образуя газ.

1.2. Расчёт ионного тока насыщения

Важнейшей областью применения стационарного дугового разряда низкого давления является его использование для получения покрытий, в частности покрытий на основе химических соединений (карбидов, нитридов, окислов и т. п.). Характер и эффективность плазмохимических реакций в процессе синтеза покрытий данным методом в значительной мере определяется параметрами конденсируемого плазменного потока. При подаче на обрабатываемую поверхность, находящуюся в плазме, достаточно высокого отрицательного потенциала на поверхность поступает ионный ток насыщения, величина которого определяется по формуле [1]

, (1.1)

где μ_р – коэффициент эрозии катода, μ_р = 101·10^-9 кг/Кл ;[2]

– среднее зарядовое число ионов, =2,35; [2]

m_i – масса конденсирующегося иона, m_i=1,528·10^-25 кг ; [1]

R_k – радиус катода, R_k=0,04 м;

I_p – ток дуги, А;

l – расстояние от торца катода до обрабатываемой поверхности, l=0,12 м.

---

.

1.3. Расчёт толщины двойного слоя, определяемой дебаевским радиусом экранирования λ_D

Поверхность в плазме оказывается окруженной слоем из положительных ионов двойного слоя. Толщина двойного слоя определяется дебаевским радиусом экранирования [1];

, (1.2)

где k – постоянная Больцмана, k = 1,3810^-23Дж/К;

T_e – температура электрона, (T_e=4 эВ);

При этом практически вся разность потенциалов между поверхностью и плазмой сосредотачивается в двойном слое, в котором ионы ускоряются. У иона, сталкивающегося с поверхностью, имеется большой выбор в конечном исходе процесса столкновения. Вероятность каждого из процессов сложным образом зависит от свойств самого иона (масса, величина заряда), скорости его движения и угла столкновения с поверхностью, а также от состава, температуры, физико-энергетических свойств и топографии поверхностного слоя. Такая многопараметрическая зависимость, безусловно, препятствует детальному пониманию процессов, протекающих при контакте плазмы о поверхностью. В то же время это расширяет диапазон возможностей плазменных технологий, обеспечивающих преобладающую роль тех или иных конкретных элементарных процессов, и соответственно, тех или иных свойств покрытий.

1.4. Расчёт потоков ионов металла и атомов молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени n_i, n_г

Потоки ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяются соотношениями [1]

, (1.3)

, (1.4)

где α_к – коэффициент конденсации (α_к=1);

k – постоянная Больцмана, k =1,38·10^-23 Дж/К;

Р_г – давление газа, Р_г = 0,0266 Па;

m – масса молекулы (для молекулярного газа) или атома (для атомарного газа);

Т – температура газа, T = 300 K;

j_i – плотность тока;

Выполнив подстановку получим:

1.5. Расчёт энергии, выделяемой на поверхности конденсации за единицу времени Δq

На поверхности конденсации за единицу времени выделится энергия, определяемая соотношением :[1]

, (1.5)

где U_п – отрицательное напряжение смещения на подложке относительно плазмы, В;

– средняя энергия ионов, Дж (для Nb =122·10^-19 Дж);[3]

Q_к – энергия, выделяющаяся при конденсации одного иона, Дж;

---

, (1.6)

где Q_И – теплота испарения металла (для Nb Q_И ~ 648кДж/моль); [3]

N_a – число Авогадро, N_a = 6,022·10²³ моль^-1;

Тогда энергия на поверхности конденсации за единицу времени

1.6. Расчёт количества газа, вступившего в реакцию с металлом n_x

В непрерывном стационарном режиме работы, если тепло отводится за счет излучения и часть подведенной энергии идет на образование химических соединений и диссоциацию молекул газа, затраченная энергия будет определяться соотношением :[1]

,

где n_x – количество газа, вступившего в реакцию;

Т_ст – температура стенок камеры;

ε_r – интегральный коэффициент излучения наносимого материала;

Q_p – потенциальный барьер реакции;

Т_п – температура подложки;

σ - постоянная Стефана-Больцмана.

Выражение для выделяющейся мощности совместно с условием отвода тепла от изделия определяет его тепловой баланс :

или

Количество газа, вступившего в реакцию с металлом, рассчитывается по формуле:

, (1.7)

где Т_ст – температура стенок камеры, Т_ст = 300 К;

ε_r – интегральный коэффициент излучения наносимого материала, ε_r=0,07;[1]

Q_p – потенциальный барьер реакции ;

Т_п – температура подложки, Т_п = 673 K ;

σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ=5,6710^-8 Дж/с·м²·К⁴;

, (1.8)

где c – теплота образования, Дж/моль (с = 50241,6 Дж/моль);

Тогда количество газа, вступившего в реакцию с металлом

.

Полученное значение количества газа вступившего в реакцию превышает значение количества потоков ионов и атомов газа на единицу площади в единицу времени, так как значение приложенного потенциала на подложку превышает пороговое значение потенциала подложки.

1.7. Расчёт порогового значения потенциала подложки U_пкр

---

Пороговое значение потенциала подложки, при котором весь поток газа вступает в химическое соединение, однозначно связанное с давлением газа, можно найти из соотношения [1]

, (1.9)

При подстановке числовых значений получаем

1.8. Расчёт содержания неметалла C_x в соединении NbSi₂

Если энергия Δq, подводимая к поверхности, достаточна для того, чтобы

весь падающий на поверхность подложки поток газа образовал химическое соединение, то содержание неметалла С_x не зависит от энергии ионов и будет определяться только потоком n_г, то есть давлением газа, тогда [1]

, (1.10)

Можно сделать вывод о том, что данные технологические параметры не подходят для нанесения покрытия NbSi₂ .Очевидно, что для увеличения количества газа, вступившего реакцию нужно увеличить рабочее давление в камере. Методом подбора были выбраны следующие технологические параметры:

P_газа=1·10^-3 мм рт. ст.;

U_п=120 В;

T_ст=300 К;

T_п=400°С=673 К;

I_р=145 А;

Расчёт ионного тока насыщения

, (1.1)

.

Расчёт потоков ионов металла и атомов молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени n_i, n_г

Потоки ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяются соотношениями

, (1.3)

, (1.4)

Выполнив подстановку получим:

Расчёт энергии, выделяемой на поверхности конденсации за единицу времени Δq

, (1.5)

Расчёт количества газа, вступившего в реакцию с металлом n_x

, (1.7)

..

---

Расчёт порогового значения потенциала подложки U_пкр

, (1.9)

Расчёт содержания неметалла C_x в соединении NbSi₂ при новых технологических параметрах

, (1.10)

1.9 Вывод

В зависимости от параметров конденсируемого плазменного потока в процессе синтеза покрытий методом вакуумной ионно-плазменной обработки рассчитаны характер и эффективность плазмохимических реакций, и получены следующие характеристики:

1)плотность ионного тока насыщения, ;

2)толщина двойного слоя положительных ионов,

3) поток ионов металла, n_i=1,91·10²¹ ион/м²;

поток ионов газа, n_г=3,83·10²¹ атом/м²;

4)энергия выделяемая на поверхности конденсации,

5)количество газа вступившего в реакцию,

6)пороговое значение потенциала в подложке,

---

Смотрите также файлы

• Анализ состояния российского кредитного рынка.pdf

• Египет при ливийских царях (945 — вторая половина VIII в. до н. э.).pdf

• Поведенческая психотерапия.pdf

• Колганов И.М., Дубровский П.В., Архипов А.Н., 2003 - Технологичность авиационных конструкций, пути повышения. Том 1.pdf

• Личные и притяжательные местоимения в английском языке.pdf