Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование механизма выделения газов из металлов 11
1.1 Обзор методов определения механизма газовыделения 11
1.1.1 Определение механизма газовыделения из анализа кривых газовыделения 11
1.1.2 Определение механизма газовыделения из анализа коэффициентов диффузии 13
1.1.3 Определение механизма выделения газов по анализу десорбционных кривых 14
1.2 Экспериментальный комплекс 16
1.2.1 Методика обработки спектрограмм 18
1.2.2 Методика количественной градуировки омегатрона 18
1.2.3 Расч ет согласо вания времен индикации потока 20
1.2.4 Метод накопления при анализе газовыделения 21
1.2.5 Методика расшифровки спектра масс 23
1.3 Определение механизма выделения газов из элементов вакуумной
системы 24
1.3.1 Исследование спектров общего газовыделения из стальной электродной проволоки 24
1.3.2 Исследование механизма выделения кислорода из стальной электродной проволоки 25
1.3.3 Измерения газовыделения из электродной проволоки в процессе
вакуумного отжига 27
1.3.4 Анализ газовыделения на переменных скоростях нагрева 28
Глава 2. Исследование формирования защитных пленочных покрытий при обработке длинномерных электротехнических материалов 32
2.1 Визуализация потока пара 32
2.2 Анализ способов управления формированием толщины пленки 35
2.2.1 Параметрическое управление потоком пара 35
2.2.2 Общая схема параметрического управления потоком пара 38
2.2.3 Геометрическое управление потоком пара 39
2.2.4 Исследование управления потоком пара с помощью электронного
пучка 41 2.3 Анализ газофазных реакций при формировании пленок 44
2.3.1 Фазовая диаграмма и изобарный потенциал 45
2.3.2 Моделирование формирования защитного покрытия на электротехническо м материале при обмене газа 46
Глава 3. Исследование условий уменьшения потребляемой мощности для ввода длинномерных материалов из атмосферы в вакуум и вывода из вакуума в атмосферу 51
3.1 Суть проблемы 51
3.2 Анализ течения газа в устройстве ввода/вывода проволоки
3.2.1 Визуализация течения потока газа в устройстве для обработки проволоки 53
3.2.2 Влияние параметров устройства ввода/вывода на давление в камере обработки 55
3.2.3 Зависимость давления в плазменной камере от формы выводных элементов 57
3.2.4 Устройства вывода с отклонением газового потока 59
3.2.5 Устройство вывода с дополнительной подачей газа 61
3.2.6 Предельные возможности повышения перепада давления за счет усложнения формы элементов 63
3.3 Электрофизические способы создания перепада давления 64
3.3.1 Предельные возможности создания перепада давления с помощью газодинамических эффектов 64
3.3.2 Исследование влияния разряда на расход газа в устройство ввода/вывода 66
3.3.3 Стационарный дуговой разряд между элементами 67
3.3.4 Откачивающее действие разряда 67
3.4 Устройства ввода/вывода с виртуальными элементами 68
3.5 Выводы по электрофизическим способам повышения эффективности выводных устройств 70
Глава 4. Конструирование устройств для обработки материалов 71
4.1 Рекомендации по расчету и согласованию устройств для поточной обработки электротехнических материалов 71
4.1.1 Расчет потребляемой мощности 71
4.1.2 Согласование по необходимой производительности откачных средств 72
4.1.3 Графоаналитический расчет устройства для ввода/вывода проволок 73
4.1.4. Согласование передаточных характеристик устройства для вывода с работой вакуумных насосов 76
4.1.5 Согласование вольтамперной и управляющей характеристик 76
4.1.6 Защита системы с выводом длинномерных электротехнических материалов от электрических пробоев 78
4.1.7 Согласование системы по обрабатываемым материалам 78
4.2 Схемы устройств для поточной обработки проволок 79
4.2.1 Устройство для обработки проволочных материалов 79
4.2.2 Устройство с камерой ионной очистки и камерой плазменного нагревателя 82
4.2.3 Устройство для очистки толстых проволок в импульсном дуговом разряде 84
4.2.4 Устройство для очистки отжига «столбовой» проволоки типа «ракушка» 85
4.2.5 Устройство для отжига проволочных испарителей с магнитным полем и плазменным контактом 87
4.2.6 Устройство для поточного отжига электродной проволоки между разнесенными плазменными контактами 88
4.3 Схемы устройств для формирования пленок 90
4.3.1 Устройство для поточного алюминирования полиэтиленовых пленок 90
4.3.2 Устройство для поточного алюминирования проволочных материалов 92
4.3.3 Трехканальная испарительная ячейка для молекулярно-лучевой эпитаксии 94
4.3.4 Устройство для цинкования длинномерных материалов 95
4.3.5 Устройства для переработки полимеров и формирования полимерных покрытий 96
4.4 Устройства для травления многокомпонентных диэлектрических материалов 98
4.4.1 Устройство для ионной обработки широкоапертурных диэлектриков 99
4.4.2 Устройство для травления высокоомных материалов 102
Заключение 107
Список литературы
- Методика количественной градуировки омегатрона
- Параметрическое управление потоком пара
- Предельные возможности повышения перепада давления за счет усложнения формы элементов
- Согласование передаточных характеристик устройства для вывода с работой вакуумных насосов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время длинномерные проволочные и
рулонные электротехнические материалы широко применяются в технике.
Расширение сферы применения электротехнических материалов поставило
задачу определения глубины локализации газов, распределенных в металле
вследствие отклонений технологии металлургии или протяжки металла через
фильеры. В ряде случаев возникает необходимость удаления локализованных
газов (особенно кислорода) из объема длинномерных проволочных материалов
(стальной проволоки для электродов, вольфрама для тел накала, молибдена для
арматуры электровакуумных приборов). Существующие технологии
химической и термической обработки при атмосферном давлении не
удовлетворяют требованиям по энергоемкости, производительности, качеству и
себестоимости процессов обработки длинномерных электротехнических
материалов.
Один из способов решения проблемы – электрофизическая обработка электротехнических материалов в плазме, реализуемая при пониженном давлении и непрерывном вводе проволочных материалов из атмосферы в генератор газоразрядной плазмы.
Однако проблема электрофизической обработки длинномерных
электротехнических материалов с вводом в вакуум недостаточно изучена. Решение проблемы обработки длинномерных электротехнических материалов распадается на несколько задач. Необходимо исследовать физико-химические процессы выделения газа из длинномерного электротехнического материала; исследовать закономерности формирования защитных покрытий и пленок в условиях изменения температуры, давления и ограничения расстояния; исследовать условия снижения необходимой мощности откачных средств, для обеспечения вакуума; установить закономерности согласования режимов при конструировании систем для обработки длинномерных электротехнических материалов. Поэтому тема исследования процессов электрофизической обработки электротехнических материалов является актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании явлений, сопровождающих электрофизическую обработку длинномерных электротехнических материалов, а также в разработке простых устройств для очистки,
обезгаживания, отжига и формирования покрытий на электротехнических материалах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
исследование механизма выделения газов из металлов (глубины залегания). Определение глубины залегания газов минимизирует энергетические затраты на последующие технологические операции;
-
исследование особенностей формирования пленок в условиях натекания газа в условиях ограниченного пространства;
-
исследование условий минимизации мощности откачки для обеспечения вакуума при вводе электротехнических материалов из атмосферы;
-
разработка рекомендаций по расчету и конструированию систем для обработки длинномерных из электротехнических материалов.
Основная идея заключается в исследовании возможности реализации очистки, отжига и формирования защитного покрытия в процессе поточного ввода и вывода материала через отверстия в вакуумной камере. Необходимые энергетические затраты на обработку определяются из анализа глубины залегания газов в материале. Уменьшение энергетических затрат на обеспечение вакуума достигается с помощью газодинамических эффектов.
Научная новизна:
-
Выявлены закономерности связи глубины залегания газов, скорости роста температуры и механизма газовыделения и проведены комплексные исследования по влиянию скорости роста температуры на приоритетность механизма десорбции газов.
-
Впервые выявлены закономерности смещения диаграммы фазных состояний при формировании пленок при напуске газа.
-
Предложены модели, объясняющие эволюцию формы потока пара металла при формировании покрытий.
-
Впервые сформулированы закономерности геометрического и параметрического управления формированием пленок в ограниченном пространстве.
-
Впервые показаны пути снижения потребляемой мощности на обработку проволочных материалов в вакууме за счет отклонения газа срезом элементов или локальным разрядом.
6. Выявлено влияние электронного пучка и тлеющего разряда на конденсацию пара на подложке.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Механизм термодесорбции газов из металлов носит приоритетный
характер в зависимости от скорости роста температуры. Если большей скорости
нагрева соответствует меньший поток газовыделения, то газ расположен в
приповерхностных и глубинных слоях. Выяснение механизма газовыделения
позволяет минимизировать энергетические затраты на обезгаживание изделий.
2. Испарение материала в вакууме происходит с изменением формы и
температуры паров. Это позволяет сократить расстояние от испарителя до
подложки и осуществлять геометрические и параметрические способы
управления распределением толщины пленки по подложке.
3. При напуске газов в область парового потока имеет место смещение диаграммы фазных состояний и изобарного потенциала пропорционально квадрату локального значения функции температуры.
4. С уменьшением давления приоритет в создании перепада давления переходит от систем с усложнением формы элементов к системам на основе локального газового разряда.
5. При воздействии электронного или плазменного потока на поток пара происходит частичное экранирование потока пара. Это позволяет обеспечивать функциональное изменение закона напыления
Практическая значимость работы
-
Разработаны устройства: для поточной ионной очистки и отжига проволочных электротехнических материалов; для непрерывного алюминирования рулонного фторопласта для конденсаторов; для утилизации отходов фторопласта в порошок.
-
Установлены закономерности протекания процессов обработки материалов, в режиме обмена газа при изменении геометрических размеров оборудования, давления или температуры.
Реализация работы. Результаты работы используются на Томском
электроламповом заводе, в ФГУП НИИПП, в ИФПМ СОРАН, в ТУСУРе.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в планировании и выполнении всех работ, проводимых в рамках диссертационной
работы. Лично автором проведена следующая работа:
- разработана и сконструирована установка для очистки, отжига и
формирования защитного покрытия в одном технологическом цикле;
- проведены исследования условий формирования покрытий в
ограниченном пространстве в условиях обмена газа;
- предложены конструкции, позволяющие сократить энергетические
затраты на ввод и вывод материалов на порядок относительно мировых
достижений;
- проведен анализ получаемых результатов и сформулированы основные
выводы, решены задачи, возникшие по ходу выполнения диссертационной
работы.
Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения. С непосредственным участием автора подготавливались научные статьи и выступления на конференциях.
Апробация работы. Основные материалы изложенные в диссертационной
работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: 4 - 7-я
международные конференции «Актуальные проблемы электронного
приборостроения» (АПЭП-98, АПЭП 2000, АПЭП 2002). – Новосибирск, 1998 г.,
2000 г., 2002 г.; «Конверсия науки – международному сотрудничеству». - Томск,
1999 г.; «Высоковольтная микроволновая электроника»: MIA-ME’99. -
Новосибирск, 1999 г; «Измерения и контроль» (ИКИ-2000). - Барнаул, 2000 г.;
«Интеллектуальные и природные ресурсы Сибири». – Барнаул, 2001 г.;
«Радиационная физика и химия РФХ-12». - Томск, 2003 г.; «Химия твердого
тела и современные микро- и нанотехнологии». - Кисловодск, 2008 г.;
«Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». – Томск, 2008 г, 2014 г; «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб, 2010 г.; «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических цепях». - Пенза, ПДЗ, 2010 г.; «Материалы и технологии XXI века». - Пенза, ПДЗ, 2004 г, 2015 г.
Публикации. По теме диссертационной работы было опубликовано 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК; в 46 трудах и материалах международных конференций, 3 сборниках научных трудов, в 5-ти докладах на всероссийских конференциях, 11 тезисах на региональных и международных
конференциях, в 5 патентах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем диссертации – 139 страниц, включая 49 рисунков.
Методика количественной градуировки омегатрона
Скорость газовыделения диффузионного глубинного газа пропорциональна 1/t0,5, хемисорбированного газа пропорциональна 1/t, а газа, образующегося при поверхностной термической диссоциации -1/t2 .
Для идентификации механизма газовыделения необходимо построить в логарифмическом масштабе экспериментально полученную зависимость скорости газовыделения от времени и в этой же системе координат построить вышеуказанные теоретические зависимости (g1=k1/t0,5, g1=k1/t, g1=k1/t2). Значения констант к1,к2,к3 для теоретических кривых подсчитывается для точки пересечения экспериментальной зависимости g1=f(t) c осью ординат. Параллельность одной из теоретических прямых экспериментально полученной, свидетельствует об идентичности механизма газовыделения.
Вывод. В итоге обзора методик определения механизма газовыделения видно, что существует три методики определения механизма газовыделения: 1-я – по решению уравнения Фика сравнивать теорию и эксперимент, 2-я – по сравнению коэффициентов диффузии известных газов (H2, CO, O2 и др), 3-я по анализу десорбционных кривых. Из анализа методик определения механизмов газовыделения следует, что первые 2 методики наиболее приемлемы к «идеальным» материалам. Достижением в этой области является помещение образца в заранее нагретую кварцевую трубку с масспектрометрическим наблюдением количества десорбированного газа при прогреве образца во времени. Считается, что десорбционный поверхностный скачок наблюдается через короткое время ( 10сек) при температурах 2000, а диффузионный скачок наблюдается при температурах более 6000 через времена 2-3 минут.
Однако до настоящего времени методика проведения таких исследований несовершенна, требует длительного времени, специального сверхвысоковакуумного оборудования и высокочувствительной спектрометрической аппаратуры. Положение десорбционных максимумов зависит от материала образца, его геометрических размеров, метода подъема температуры и скорости ее роста. Для ряда систем металл-газ чувствительность метода оказывается малой. Особенно это касается присутствия кислорода в железе, который не может быть быстро удален из-за большой энергии связи ( 75 ккал/моль, что соответствует температуре 12270), превышающей энергию связи азотных и углеводородных компонент в этом же металле. При кислородном газовыделении механизмы десорбции оказываются перемешанными. Это связано с тем, что с деталей содержащих углерод хемосорбированный кислород выделяется значительно медленнее физически адсорбированного и удаляется преимущественно в составе окиси и двуокиси углерода. Поэтому выделяющиеся при обезгаживании деталей газы не всегда полностью характеризуют как количество, так и состав ранее поглощенных газов.
Предлагаемый путь определения механизма газовыделения кислорода основывается на анализе параллельности хода кривых обезгаживания по кислородной компоненте, а также по сравнению экспериментальных и теоретических коэффициентов диффузии.
Таким образом, наиболее достоверной можно считать методику определения механизма газовыделения по анализу десорбционных кривых и измерение потока газовыделения при длительном изотермическом нагреве 6-8 часов до 8000 С.
С целью уточнения механизма выделения из реальной проволоки для сварочных электродов проводились экспериментальные исследования.
Эксперименты по исследованию процесса газовыделения проводились на типовой установке термовакуумного напыления типа УВН-2М. На рис.1.1 представлена схема экспериментального комплекса. РА1, РА2, РТ1, РТ2, РТ3- датчики давления; С – вакуумная камера; VT1, VП1, VП2, VП3-затворы; BL1-азотная ловушка; NL1, ND1- механический и диффузионный насосы, соответственно; - масспектрометрическая лампа Рисунок 1.1 - Схема экспериментального комплекса для спектрометрических измерений
Экспериментальный комплекс состоит из вакуумной группы с датчиками давления, блока измерения парциальных давлений типа ИПДО-1 (омегатрон) с лампой РМО-4, системы функционального нагрева образцов и поддержания температуры на базе микропроцессора установки СУОЛ-0,25, перестроенной под ПИД-закон поддержания температуры. Между вакуумной камерой и диффузионным насосом помещалась наборная диафрагма, позволяющая изменять эффективную скорость откачки камеры и улучшать откачку омегатрона. В качестве образца исследовался отрезок электродной проволоки диаметром 3 мм, длиной 30 см (испаритель).
Температура нагрева проволочного испарителя контролировалась хромель-алюмелевой термопарой, укрепленной на испарителе с помощью специально изготовленного отожженного никелевого зажима.
Запись спектра остаточных газов в вакуумной камере проводилась самописцем ЭПП-09. Параллельно проводилась запись интенсивности компонент спектра (кислород, азот, аргон, вода) с помощью запоминающих осциллографов С8-12 и С8-17 с приставкой для расширения времени развертки до полутора минут. Величина потока газа измеряется автоматически методом двух манометров МТ-6, установленных по обе стороны измерительной диафрагмы.
Оценка погрешности измерения давления проводилась с учетом ОСТ 11.293. 030.87, согласно которому, погрешность датчиков ПМТ-2, ПМИ-4 20 %, погрешность измерения спектра газов 25 % при вероятности индикации 90 %. Предварительно отградуированные приборы всегда имеют нормальный (Гауссовский) закон распределения погрешностей. X -среднеарифметическое значение; Xi-текущие значения Доверительная вероятность вычисляется с помощью коэффициентов Стьюдента t, равных отношению абсолютной погрешности б(х ) к среднеквадратичной б x (t=б(х)/б( x ). (См. Дж. Тьюки. Анализ результатов наблюдений. М.: Мир, 1981, 700 с.). Для лабораторной практики рекомендуется принимать б(х)=2-3б( x ). Среднеквадратичная погрешность вычислялась по соотношению: б( x )=[(Xi – X )2/n(n-1)]0,5, (1.8) где ; n- число измерений.
За истинное значение принимается среднеарифметическое значение всех n измерений. Максимальный класс точности применяемых приборов равнялся 1,0. В итоге при доверительном интервале б(х)=2б( x ) вероятность достоверного отсчета составляет 90 % уже при 6 измерениях. В случае проведения экспериментов повторение проводилось 10-12 раз. При этом доверительная вероятность составляла более 98 %. При построении графиков абсолютные погрешности прибора (чаще половина цены деления) в виде доверительных интервалов откладываются по обе стороны от кривой.
Параметрическое управление потоком пара
Суть проблемы. Для обработки проволочных, рулонных и длинномерных материалов наиболее технологичны протяженные вакуумные камеры (например, в виде герметичного разборного канала или трубы) с устройством ввода/вывода ленточных материалов. Однако, формирование пленок в условиях ограниченного пространства разлета паров материалов в условиях обмена газа исследованы недостаточно.
Обзор литературы предлагает большое количество конструкций испарителей, но реализация этих предложений в условиях поточной обработки затруднена из-за недостаточной изученности распространения паров в условиях, отличных от теории молекулярного истечения. Например, при ограничении пробега молекул размерами камеры или давлением, размерами подложки или температурой. Недостаточно изучено формирование пленок испаряемого материала в зависимости от места натекания газа в вакуумную камеру [78-79]. Известные решения данной проблемы ограничиваются поточной обработкой при перемотке материала внутри вакуумной камеры. Однако, при перемотке в вакууме обрабатываемый материал вновь загрязняется продуктами обработки, (например, углеродом при очистке вольфрама от акводага [7]). Возникает необходимость согласования параметров истечения пара с характеристиками устройства ввода/вывода проволочных материалов.
Метод решения данной проблемы – исследовать распространение паров материала и натекающего газа в устройстве поточной обработки проволочных материалов с помощью визуализации газа и паров металла [80-84].
С целью исследования распространение паров материала и натекающего газа в условиях поточной обработки проводилась визуализация парового и газового потока. Исследования проводились на типовых вакуумных установках УВН-2М, А 30605, УРМ 387 (Булат), ВУП-4. На рисунке 2.1 представлены схемы визуализации потока паров металлов.
Наиболее приемлемой оказалась визуализация потока в плазме магнетрона, где на фоне оранжевого свечения плазмы паров меди четко просматривается синее свечение паров свинца. Для цинка свечение имеет зеленый цвет, но малую интенсивность. Эти материалы выбирались исходя из перспектив формирования оптических волноводов на диэлектрических материалах. На рисунке 2.2 показаны результаты визуализации для истечения паров свинца в камеру с различным давлением Pk. За давление испарения Pj принято давление 1 Па.
Из результатов визуализации следует, что поток пара и газа имеет сложную форму от шара до факела, зависящую от отношения давления на срезе истечения к давлению в вакуумной камере. Для объяснения результатов привлекалась как классическая теория Ленгмюра [85-91], так и теория динамики газовых потоков [92-109]. Продольное и поперечное расширение потока в вакуум способствует формированию волновой формы потока с зонами уплотнения давления. Расстояние до поперечной зоны уплотнения давления описывается выражением [92]: Хm=(0,7-1,34)d(kРj/Рk)0,5 , (2.1) где d – характерный размер отверстия истечения; k – показатель адиабаты (для пара k=1,3, для воздуха k=1,4); Рj ,P1- давление испарения и давление в вакуумной камере. (В первом приближении давление испарения равно 1 паскаль). 1– поперечная зона уплотнения давления, 2– висячий скачок уплотнения давления Рисунок 2.2 – Схема истечения паров свинца при различных давлениях в вакуумной камере
Вывод. Испарение материала в вакууме происходит с функциональным изменением температуры и концентрации паров. При уменьшении давления форма потока пара меняется от факела до шара.
В условиях близко расположенной плоской преграды (h 2Xm) на формирование локальной толщины пленки влияет множество факторов. Некоторые из них это влияние температуры испарения, влияние локального угла среза тигля, влияние давления в камере, размеров подложки.
Обзор литературы показывает, что пока скудны сведения по формированию пленок в условиях, отличных от молекулярного истечения паров в вакуум. Основное внимание уделяется истечению и взаимодействию газовых потоков с преградами [92-109].
Под параметрическим управлением понимается управление потоком пара посредством основного параметра – температуры испарения. Экспериментальные исследования проводились на установке термовакуумного напыления УВН-2М. Параметрическое управление исследовалось при постоянном расстоянии от испарителя до подложки (125 мм) и изменении параметров пара посредством изменения общей температуры на срезе тигля. В качестве испаряемого материала использовался свинец, в качестве подложки – стекло. Измерение локальной толщины пленки проводилось с помощью эллипсометра ЛЭМ-2.
На рисунке 2.4 а представлена схема истечения потока по данным визуализации. На рисунке 2.4 б представлены линии равной толщины пленки свинца, полученные по просвету подложки лазерным излучением. Pк=0,01 Па; h=125 мм; d=5мм Рисунок 2.4 - Распределение толщины пленки по подложке На рисунке 2.4, в представлено распределение толщины плёнки при изменении температуры испарителя. Отклонение толщины напыления от классического косинусного закона вероятно связано с изменением характера течения и взаимодействия паров испаряемого материала с подложкой.
Неравномерность толщины покрытия объясняется изменением формы парового потока вследствие изменения отношения давления на срезе испарителя к давлению в вакуумной камере (Pj/Pк). Изменение температуры нагрева приводит к изменению давления на срезе тигля. Как следствие, меняется форма истекающего потока. Для более четкой установки структуры потока заслонка открывалась после установления температуры. (При открывании заслонки температура на срезе тигля уменьшалась на 150). Расстояние до подложки выбиралось минимальным по условиям монтажа в вакуумной камере установки УВН-2М с целью повышения КПД испарения.
Результаты эксперимента по изменению температуры испарения представлены на рисунке 2.5. Температура испарения свинца менялась от 900 до 1100 градусов. Испарение проводилось при давлении 0,01 Па. Применение экрана, ограничивающего разлет паров (рис.2.5 г), способствует повышению равномерности распределения толщины пленки.
Предельные возможности повышения перепада давления за счет усложнения формы элементов
В качестве критерия перехода к дуговому разряду служит формирование катодного пятна и изменение вольтамперной характеристики разряда. С увеличением тока дуги более 5 А повышение перепада давления почти не наблюдается. Это объясняется тем, что с ростом тока возрастает доля потерь на нагрев электродов (20-25 %), на излучение (20 %), на сверхвысокочастотные плазменные и акустические колебания (18-25 %). При работе на больших диаметрах (6-10 мм) при атмосферном давлении наблюдается неустойчивость горения, колебания давления и температуры, приводящие к погасанию дуги.
Перепад давления с применением стационарной дуги не превышает перепада от применения газового разряда. Это связано с увеличением перегрева и торможением потока.
Обнаружено, что при организации тлеющего разряда между элементами (600 В, до 600 мА) перепад давления возрастает. После стартового вакуума перепад давления может поддерживаться самим разрядом. С ростом тока разряда эффект возрастает, достигая максимальной величины. Поток газа, откачиваемый разрядом из плазменной камеры объемом V, может быть определен из анализа изменения давления dp во времени по соотношению вакуумной техники: Q= Vdp/dt (3.13)
Включение разряда эквивалентно дополнительному насосу. В эксперименте эквивалентная производительность составила 5 тор л/с при давлении в плазменной камере 5 Па.
Однако прекращение разряда приводит к увеличению давления в плазменной камере почти на порядок. Увеличение давления связано с охлаждением газа и, как следствие, с изменением формы потока газа и его фокусировкой в отверстие элемента второй ступени устройства для вывода. Время изменения давления складывается из времени перестройки структуры и времени изменения давления в объеме плазменной камеры за счет изменения натекания. Для экспериментальных условий допустимое время паузы составляет 10-20 секунд. При этом давление в плазменной камере возрастает от 30 до 80 Па.
Для более устойчивой работы устройства между выводными элементами и плазменной камерой введена электрическая связь. При прекращении разряда давление в плазменной камере повышается. Плазма является источником широкого спектра высокочастотных колебаний. Высокочастотный импульс из плазменной камеры подается через емкость на вспомогательный электрод, который обеспечивает автоматическое зажигание разряда. Данное решение защищено патентом 2191490.
Одним из путей повышения эффективности устройства для вывода проволок является возбуждение с помощью разряда зон изменения параметров потока, эквивалентных изменениям давления за счет взаимодействия газа с элементами. Такими воздействиями могут быть зоны локального перепада температуры, области дугового или тлеющего разряда, или просто тела, помещенные в поток газа. Это позволяет при относительном постоянстве конструкции системы широко изменять ее параметры.
На рис. 3.11 представлена принципиальная схема формирования виртуального элемента за счет диафрагмы в потоке газа и за счет разряда. Применение механического виртуального элемента в виде диафрагмы с пролетным отверстием перспективно при относительно высоких давлениях в откачиваемой камере (более единиц мм. рт.ст), что позволяет менять форму потока газа для реализации газодинамических эффектов. Наклон диафрагмы способствует отклонению потока от оси отверстий, но ощутимый эффект проявляется при углах 450. а), б)- механические виртуальные элементы; в), г) - элементы с электрическим разрядом Рисунок 3.11 – Схема устройств для вывода проволоки с формированием виртуальных элементов:
Использование разрядов более перспективно при давлениях менее единиц мм.рт.ст. Основным механизмом удаления газа при разряде в выводном устройстве можно считать термобароэффект, при котором разность температур вызывает разность давлений. Зажигание разряда изменяет параметры потока. (Поток становится шире, напорное давление в нем уменьшается). Разряд, зажигаясь в зоне оптимальных условий его горения, формирует у отверстий вывода область с изменяющимися параметрами. Тлеющий разряд (600 В, 400 мА) позволяет некоторое время (5 мин) поддерживать вакуум на уровне 10 - 80 Па без откачки плазменной камеры при выводе проволоки в атмосферу через отверстие диаметром 0,8 мм при откачке газа между элементами насосом ВН-1.
В числе особенностей эксплуатации газоразрядных систем является большие тепловые потери и необходимость стартового вакуума. 3.5 Выводы по электрофизическим способам повышения эффективности выводных устройств
Несмотря на перспективность, возможности электрофизических явлений для улучшения параметров систем с выводом проволок имеют конечные возможности. Ранее было показано, что теоретический предел изменения расхода газа от действия разряда на газ не может превышать 1,75 для воздуха.
Разряд в выводном устройстве – это неизвестный до сих пор новый путь развития систем с вводом/выводом проволок. Системы с разрядом на срезе элемента первой ступени откачки или с разрядом у боковых отверстий элемента второй ступени являются весьма перспективными. Подобные системы применимы для различных типов выводных устройств. Сам разряд может быть реализован в широком диапазоне давлений. Из экспериментальных и теоретических исследований видно, что электрофизические явления позволяют существенно снизить мощность откачных средств на поддержание вакуума в плазменной камере, однако, его влияние имеет границы.
Согласование передаточных характеристик устройства для вывода с работой вакуумных насосов
На оси системы под положительным относительно корпуса потенциалом расположен тигель - анод 4 с керамикой 22ХС. Вторая часть системы содержит образец 5 из керамики 22ХС, образованный 16 пластинами 20х40 мм, подлежащий травлению и помещенный на извлекающий электрод 6.
Рабочая камера откачивается до давления 0,1 Па. В камеру осуществляется напуск газа (воздух с импульсным расходом 10-6 Пам3/с с частотой 1 Гц) для промывки системы и уменьшения вероятности протекания нежелательных реакций полимеризации углеводородов. При подаче напряжения 600-800 В на генератор плазмы, в нем возбуждается вспомогательный разряд (Uвр) током до 1 А. При таких режимах в разрядной системе типа “обращенный магнетрон” (катод 1-тигель 4) образуется плазмоид, который вращается под действием магнитного поля. Анод (тигель 4 с керамикой) разогревается интенсивной электронной бомбардировкой. После прогрева системы напуск стартового газа прекращается, и разряд начинает гореть в парах испаряемого материала, идентичного обрабатываемому образцу. Об этом свидетельствует изменение вольтамперной характеристики вспомогательного разряда. Плазма паров испаряемого материала через ячейки экспандера попадает в рабочую камеру.
На электрод 6, подается извлекающее напряжение (U) порядка 3 кВ с током 70 мА. Образец 5 прогревается в течение 15 мин до температуры 3000 С за счет возникновения основного высоковольтного разряда лучевой формы. Это способствует обезгаживанию элементов устройства.
Затем извлекающее напряжение повышается до 7 кВ и реализуется режим ионной очистки поверхности. Спустя 5-10 минут при неизменном давлении в камере напряжение разряда повышается до 10-14 кВ, а ток разряда уменьшается до 30 мА. Это свидетельствует о горении высоковольтного разряда в парах травимого материала и переходу к режиму травления предварительно прогретой подложки по “модели механизма тепловых пиков”, для которого, в отличие от широко распространенного “механизма прямого выбивания”, свойственен равновероятный вылет компонент травимого материала. Вращение плазмоида под действием магнитного поля и его взаимодействие с экспандером создают условия для периодического проникновения плазмы через ячейки экспандера и возникновения локальных неоднородностей плотности плазмы основного разряда. Это приводит к стационарной пространственной нестабильности высоковольтного лучевого разряда. Таким образом, плазма хаотически впрыскивается в рабочую камеру, осуществляя перезажигание основного высоковольтного разряда и его сканирование по поверхности диэлектрика. Разница между напряжением зажигания и горения высоковольтного разряда вкладывается в ионизационные процессы и в высокочастотные колебания. Индуктивно-емкостной контур (С1L1) выделяет высокочастотную составляющую электрического поля на частоте 5 МГц, что способствует снятию обьемного заряда с поверхности диэлектрика за счет токов смещения и перезарядки. Емкость С2 в анодной цепи служит для шунтирования источника питания от высокочастотной составляющей. Сканирование разряда по поверхности диэлектрика уменьшает эффект локального перегрева и обеспечивает эффективное травление без напуска инертного газа ионами лития, ниобия и кислорода. Скорость травления на керамике 22ХС достигает 3 мкм/час, на ниобате лития 2 мкм/час.
В электротехнике широко используются стеклоподобные диэлектрики в качестве схемонесущих материалов. Трудность обработки таких материалов заключается в том, что они инертны к традиционным химическим методам обработки. При обработке ионами или электронами вследствие температурных напряжений поверхности возникает электретный эффект и на поверхности возникает заряд, что препятствует травлению. Вследствие этого, диэлектрики чаще травят в высокочастотном разряде. Однако, существующие высокочастотные генераторы занимают много места, имеют сложное электронное обеспечение и не могут изменять частоту, которая для каждого электротехнического материала должна соответствовать энергии связи атомов. Несоответствие энергии возбуждения и энергии связи приводит к вылету легких компонент и смещению атомов тяжелых компонент диэлектрика. В итоге при традиционном травлении происходит изменение сегрегатного состава диэлектрика, потеря его электротехнических свойств.
Возможность выделения СВЧ мощности из многоканальных электронных источников использована при построении устройства для травления диэлектрических материалов. Для травления предполагается использовать металлосодержащую плазму элементов самого диэлектрика.
На рис. 4.18 представлена конструкция устройства для травления высокоомных диэлектриков. Устройство состоит из двух камер, разделенных многоканальной полостью (экспандером) с 24 отверстиями. Устройство крепится вместо окна на установку УРМ 387.
Первоначально в системе обеспечивается давление 5-10 Па. При подаче газа в экспандер, (воздух или аргон), возникает его взаимодействие с отверстиями экспандера. Это приводит к колебаниям давления в экспандере. Между держателем подложки 3 и корпусом устройства зажигается низковольтный тлеющий разряд напряжением Uвр (600-800 В, 1 А).
Взаимодействие газа с экспандером приводит к пространственной неоднородности горения разяда и его хаотичному сканированию по отверстиям экспандера. Под действием электронной бомбардировки происходит испарение материала 6, того же состава, что обрабатываемый образец, расположенный на подложке 5. При подаче извлекающего напряжения (до 9 кВ током до 100 мА) в системе экспандер - подложка 5 возбуждается высоковольтный тлеющий разряд.