автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование и разработка методов магнитного управления процессом осаждения покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда

Р Г Б ол

1 0 ДПР 1995

На правах рукописи

Лисенков Александр Аркадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУШВОГО РАЗРЯДА

Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском .■ государственно* электротехническом университете имени В.И.Ульянова (Ленина).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Быстрое Ю.А

Официальные оппоненты:

• Доктор технических наук Попов В.Ф.

Кандидат технических наук Карпов Д.А.

Ведущая организация - акционерное общество "Светлана" АОЗТ "С.Ё.Д. СПб".

¡8

Защита состоится "_!__" ^ 1995 г. ц. :__ часов в

заседании диссертационного совета К 063.36.09 Санкт-Петербургскоп государственного электротехнического уйиверситета им.В.И.Ульянов] (Ленина) по адресу: 197376, г.Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, 5.

С диссерацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ.

Автореферат разослан "__" 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Смирнов Е.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Нанесение пленочных покрытий в вакууме является одной из наиболее распространенных технологических операций в производстве изделий электронной и оптической промышленности, а также в машиностроении. Перечень технических задач, успешно решаемых с помощью покрытий, постоянно расширяется в связи с их высокими качественными показателями я с возможностью получения покрытий с ршрочайшнм спектром функциональных свойств,

В настоящее время для осаждгяш покрытий используются технологии, основанные на термическом (включая электронно-лучевое) испарении наносимого материала и на его ионном распылении. Однако в обоих случаях формирование покрытий происходит исключительно за счет конденсация нейтральных частиц, что полностью исключает возможность управлений как их энергией, так и их движением в процессе транспортировки. В связи с этим большой практический интерес представляет разработка технологических процессов, основанных на формировании пленочных структур из плазмы наносимого материала. Для реализации таких процессов на практике обычно используются вакуумно-дуговые источники плазмы, которые характеризуются высокой эффективностью при получении сильноионизированных и высокоскоростных потоков вещества, возможностью управления процессом нанесения покрытий из' плазмы различных материалов (металлов, их сплавов и т.д.) и простотой эксплуатации. Применение данной технологии позволяет получать упрочняющие, защитные, жаростойкие, антиэмиссионные и декоративные покрытия и, кроме этого, осуществлять плазмохимический синтез различных соединений.

Пря разработке технологического процесса нанесения покрытий особое внимание уделяют созданию эффективных систем транспортировки плазменного потока. Решение данной проблемы направлено на достижение максимальной скорости роста при заданном качестве наносимого покрытия.

Расширение областей практического применения вакуумно-дуговой технологии связано с совершенствованием конструкций источников плазмы и дальнейшим теоретическим и экспериментальным изучением процессов движения и осаждения плазменного потока. Несмотря на обилие публикаций, строгого математичесного анализа процессов, происходящих в плазме вакуумно-дугового, разряда, не существует. Таким образом, выбранное направление исследований представляет большой практический интерес. '

Целью диссертационной работы являлось:

- теоретическое и экспериментальное изучение движения плазменного потока, генерируемого с помощью вакуумно-дугового разряда;

- разработка методов магнитного управления движением заряженной компоненты для повышения скорости роста и равномерности толщины формируемого покрытия;

- разработка конструкций вакуумно-дуговых источников плазмы и методов формирован»« покрытия на деталях сложной формы.

Научная норизна работы заключается в следующем:

- предложены и исследованы методы машитного управления движением заряженной компоненты плазменного потока, повышающие скорость роста и равномерность толщины наносимого покрытия;

- разработан и реализован в программном комплексе алгоритм расчета транспортировки заряженной компоненты плазменного потока и' распределения плотности ионного тока в рабочем объеме вакуумно-дугового источника плазмы; <

- решена задача по управлению распределением плотности ионного тока по внутренней поверхности цилиндрической полости;

- теоретически исследована и практически решена задача управления плотностью плазменного потока.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Распределение плотности ионного тока в потоке металлической плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым разрядом с интегрально-холодным катодом, при токе, близком к критическому значению, описывается математической моделью формирования моноскоростного плазменного потока на основе дифференциальных уравнений движения, в которых учитывается неоднородность машитного поля, начальные скорости ионов и функция распределения плотности ионного тока на поверхности катода.

2. Равномерность толщины покрытия, наносимого из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда, определяется характером пространственной конфигурации магнитного поля, создаваемого дополнительным элементом системы транспортировки в области подложкодержателя.

3. ^Коэффициент прохождения Заряженной компоненты потока вакуумно-дуговой плазмы через систему плоско-параллельных электродов экспоненциально зависит от скоростных параметров потока и геометрических размеров электродной системы.

Практическая ценность работы:

1. Разработан пакет программ для расчета распределения плотности ионного тока в зоне транспортировки плазменного потока, генерируемого вакуумно-дуговым разрядом.

2. Отработаны методы магаитного управления движением заряженной компоненты плазменного потока, основанные на введении дополнительного элемента в систему транспортировки, обеспечивающие повышение скорости роста и равномерности толщины наносимого покрытия.

3. Разработана конструкция устройства и отработана технология нанесения покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрической полости.

4. С целью повышения качества наносимого покрытия предложен и реализован метод очистки плазменного потока от капельной фракции.

5. Предложено устройство в виде системы плоско-параллельных электродов, позволяющее регулировать плотность плазменного потока.

реализация результатов работы. Предложен ряд конструкций вакуумно-дуговых источников плазмы, нашедших практическое применение в промышленности; Основные результаты работы внедрены на АОЗТ "С.Е.Д.-СП6" (АО "Светлана") в технологию производства генераторных ламп. В соотвествии с рекомендациями переоборудована установка гав^умно-дугового напыления УВНИПА-1-001-327.070 для нанесения Цокфнтий на внутреннюю поверхность камерных анодов. Изготовление Ярйборов с данными анодами увеличило реальную долговечность приборов в 1,5...2 раза. В настоящее время с применением разработанной технологии производятся следующие типы генераторных ламп: ГУ-103Б, ГП-17К, ГУ-93Б, ГУ-95А и ГУ-91 А, что дало значительный экономический эффект.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

II Международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-94" (г. Новосибирск, 1994 г.);

- конференции с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника" (г. Гурзуф, 1994 г.);

III конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (г. Томск, 1994 г.);

- Всесоюзной конференции "Математическое моделирование и экспериментальное исследование физико-химических процессов в сплошных средах" (г. Харьков, 1991 г.);

- Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г. Ленинград, 1990 г.);

-1 Всесоюзной конференции "Автоматизация, интеграция процессов в технологии микроэлектроники" (г, Лттхры, 1989 г,);

- XII Всесоюзной конференция "Перспективы развития техники радиовещательного звукоусиления и акустики " (г. Ленинград, 1988 г.);

Всесоюзной коферендии "Электронное приборостроение" (гЛенинград, 1988 г.);

- Всесоюзной конференции "Прогрессивная технология нанесения металлопокрытий на поверхности" (г. Челябинск, 1986 г.);

- I Региональной коифереяции "Электронно» приборостроение" (г. Новосибирск, 1986 г.);

научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) (г, Санкт-Петербург, 1985-1994 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ. Новизна предлагаемых решений подтверждена 4 авторскими свидетельствами. ,

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 130 наименований. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста. Работа содержит 60 рисунков и 6 таблиц.

Основное содержание работы

•

В веление. Обосновна актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, определена научная новизна и практическая ценность работы. Представлены основные положения, выносимые . на защиту, приведена общая характеристика работа.

В первой главе рассмотрены основные принципы управления движением заряженной компоненты плазменного потока, которые были заложены при проведении исследований по формированию плазменных сгустков и потоков; удержанию плазменных образований от соприкосновения со стенками 'объема, в котором осуществляется его транспортировка; фокусировке, ускорению и очистке замагаиченной плазмы от примесей, а также при ее инжевдии с последующим удержанием в различной рода ловушках. На основе анализа литературных данных рассмотрены < и проанализированы методы управления движением плазменных потоков, нашедших свое непосредственное применение при создании промышленных и разрабатываемых вакуумно-дуговых источников плазмы.

Вторая глава содержит данные об основных параметрах вакуумно-дуговых устройств с различными системами транспортировки и очистки плазменного потока. Приведено краткое описание выпускаемых технологических установок. Показано, что за счет использования существующих систем управления не удается достичь высокого коэффициента использования плазмообразующего материала. При достаточно ограниченной площади обрабатываемого изделия коэффициент использования плазмообразующего материала из-за широкой диаграммы направленности генерируемого потока не превышает нескольких процентов. В осесимметричных системах для получения покрытия, равномерного по толщине, может быть использована лишь незначительная приосевая часть потока. На основе проведенного анализа показано, что повышение эффективности используемого оборудования может быть связано с совершенствованием систем транспортировки и разработкой методов перераспределения заряженных частиц в рабочем объеме.

Широкие потенциальные возможности, открывающиеся с применением метода вакуумно-дуговой технологии нанесения покрытий, определили направление исследований.

Третья плава посвящена разработке метода и алгоритмов расчета распределения плотности ионного тока в зоне транспортировки плазменного потока, генерируемого вакуумно-дуговым разрядом. В настоящее время вслросы плазменной технологии не имеют законченной теории и многие детали физической картины остаются неясными, что связано со сложностью и многообразием протекающих явлений. Многофакторность рассматриваемого физического процесса и сложная взаимосвязь между отдельными параметрами обуславливают трудность его моделирования. Для вакуумно-дуговых источников плазмы отсутствуют методы расчета распределения концентрации заряженных частиц в рабочем объеме. Решение данной задачи с достаточной для практики степенью точности позволит спрогнозировать характер протекания технологических процессов.

Строгое описание поведения плазмы может быть проведено с помощью кинетических уравнений Больцмана, однако во мношх случаях целесообразно применять упрощенные физические модели потоков, допускающие более простое математическое описание. Использование гидродинамической модели для получения приближенных результатов представляется достаточно обосно§ашщм для решения задачи движения потоков вакуумно-дуговой плазмы в заданных внешних полях. Теоретический анализ движения плазменных потоков в неоднородном магнитном поле встречает серьезные трудности даже в простейшем случае машитогидродинамического приближения. Поэтому вместо уравнений

движения для ионов и электронов используют уравнение движения для всей

плазмы в целом, являющееся обобщенным уравнением Движения не содержащим величины электрического поля. Для одночастичного приближения, с учетом слабоизменяющейся во всей области *ранспортировкн электронной температуры и энергии ионов, имеем:

Oie m,- - масса иона; Vj и Ve - скорости ионной и электронной компонент; е - элементарный заряд.

В работе исследовались вакуумно-дуговые источники плазмы с коаксиальной системой электродов и внешней мапштной системой управления. Движение квазинейтрального потока плазмы осуществляется в расходящемся аксиально-симметричном магнитном поле. Поток эрозионной плазмы материала катода распространяется в виде осесимметричиой струи. Для расчета траекторий движения заряженных частиц использовалась цилиндрическая система координат. Исходя из предположения, что ионный ток составляет определенную величину от тока разряда /разр , в системе дифференциальных уравнений движения частиц в проекциях на оси координат скорости электронной компоненты представлены через ионную. В результате преобразований получены дифференциальные уравнения, описывающие движение заряженной частицы в осесимметричном магнитном поле:

где Кпд - скорость плазменного потока.

Расчет величин Вг и В, для вакуумно-дуговых генераторов плазмы представляет самостоятельную задачу, от решения которой зависит точность проводимых ' расчетов. В рассматриваемых ■устройствах создаваемое магнитное поле имеет Существенную пространственную неоднородность из-за использования на достаточно протяженном участке соленоидов с различной геометрией. Для определения составляющих индукции магнитного поля Вг и Вг использовались расчетные выражения:

m^fyxB-rV.xB}.

,2

Вг = 2(-1ГуЦ*-*Г+(г+г>У

Я »"1

]*(*;)-*(*;)

¿г'

Л+11 2

к и-1

Ф1У

г' + г

П{И,к„)

с!г'

где ¿ = 4гг'У[(г-2^)2+(г + г')2]; И = гг'/{г + г')2; г,' = 1 + Я; а

к(к1),Е(к1) и п(И,ку) • эллиптические интегралы соответственно первого,

второго и третьего рода, /?, //, /? - геометрические размеры соленоида: внутренний радиус, толщина обмотки, длина; Ь - расстояние от соленоида до начала координат.

При расчете использовались стандартные программы, реализующие метод Рунге-Кутта для дифференциальных уравнений и метод Гаусса для вычисления интегралов. Для расчета эллиптических интегралов первого и второго родов использована аппроксимация многочленом, а при расчете эллиптического интеграла третьего рода использовалась квадратурная формула Гаусса с 16 узлами.

Источником высокоскоростных потоков материала катода, являются катодные пятна вакуумной дут. Известно, что прикатодная плазма, в которой электрическое поле относительно невелико, отделена от катода бесстолкнйвительным слоем пространственного заряда, в котором и локализуется катодное падение потенциала. При расчете начальное сечение потока выбиралось на внешней границе слоя объемного заряда, при этом считалось, что величина скорости плазменного потока 104 м/с, приобретается в основном в прикатодной области и в столбе душ, где ускоряющее электрическое поле отсутствует, практически не меняется. Для решения задачи распределения плотности ионного тока в рабочем объеме использовался метод недеформируемых трубок тока. Начальные условия распределения плотности ионного тока на поверхности катода для рассматриваемого моноскоростного потока были получены в ходе проведения экспериментальных исследований. Угловое распределение заряженных частиц , движущихся из плоскости катода, определялось по закону косинуса. Таким образом 'получены уравнения движения ионного компонента плазменного потока, на основании которых осуществлен расчет распределения плотности ионного тока в зоне транспортировки. Математическая модель реализована в виде пакета расчетных программ для

ПЭВМ, с помощью которой исследовано влияние магнитного поля на характер движения заряженных частиц.

Анализ полученных результатов показывает, что перераспределение заряженных частиц в рабочем объеме достигается за счет использования в системе транспортировки дополнительного соленоида, расположенного на пути плазменного потока. В этом случае частицы, попавшие в зону действия поля дополнительного соленоида, изменяют траектории своего движения, создавая тем самым в плоскости соленоида Область повышенной концентрации. Однако на частицы, движущиеся в периферийных областях, . дополнительное поле существенного влияния не оказывало. Для обеспечения более эффективной транспортировки было предложено использовать конусный соленоид, расположенный во внутреннем объеме анода в плоскости фокусирующей катушки. При расчете конусный соленоид рассматривался как система. из отдельных токовых витков различного диаметра. Уменьшение протяженности зоны транспортировки с увеличением' индукции магнитного поля к выходу соленоида сопровождалось уменьшением потерь ионов. Максимальное превышение концентрации заряженных частиц |т выходе конусного соленоида над исходным уровнем примерно составило три раза. Неравномерность распределения плотности ионного тока по радиусу не превышала 5%.

Четвертая глава. На базе разработанных вакуумно-дуговых источников плазмы с "интегрально-холодным" катодом и стабилизацией катодных пятен внешним магнитным полем экспериментально изучено пространственное распределение плотности ионного тока в зоне транспортировки плазменного потока. Установлено, что расчетные и экспериментальные результаты имеют расхождение, не превышающее величины 20%. Экспериментально подтверждено, что использование дополнительного соленоида, расположенного в рабочем объеме в районе подложкодержателя, позволяет повысить скорость . роста наносимого покрытия почти в 2 раза. Использование конусного соленоида! расположенного в зоне транспортировки, повышает скорость роста наносимого покрытия более чем в 3 раза, а достигаемая в этом случае неравномерность распределения' заряженных частиц в зависимости от согласования магнитных полей, не превышает единиц процентов. Изменение пространственного распределения конфи!урации магнитного поля в области обрабатываемого изделия позволяет обеспечить управление осаждением заряженных частиц на поверхности и достичь выравнивания толщины формируемого покрытия. .

Для измерения • параметров движущегося плазменного потока испойьзовался зондовый мётод диагностики, а толщина формируемого покрытия определялась рентгеновским методом.

Рассмотрены вопросы взаимодействия плазменного потока с плоской поверхностью, произвольно сориентированной в пространстве под некоторым углом Д Величина тока ионов, поступающих из плазмы на поверхность в зависимости от ее ориентации, зависит от скоростных параметров плазмы и может быть представлена в виде:

• /,(/?) _(0,ЯУО + со5/7

где /¡(/3) - ток ионов на поверхность при произвольном угле ориентации; ¡¡(/3=0) - ток ионов на поверхность при Д = 0; = (£Гс/т|)1/2 - скорость ионного звука; Ут - скорость плазменного потока.

Рассмотрены процессы осаждения частиц на подложку. Показано, что температурное ограничение является одним из основных факторов, определяющих возможность использования данной технологии, поэтому необходимо согласовывать параметры плазменного потока с температурным режимом осаждения. |

' Пятая глава. Возможность получения плазменных потоков со , скоростями порядка КЛ.ЛО5 м/с* и выше обуславливает особенности их взаимодействия с обрабатываемыми поверхностями сложйых геометрических форм, в том числе и с деталями, гае необходимо нанести покрытое на внутреннюю поверхность цилиндрической полости. Однако в этом случае используется незначительная часть плазменного потока, выводимого в рабочий объем, т.к. приток заряженных частиц на вход полости определяется лишь площадью ее входного сечения. Данная глава содержит расчетные и экспериментальные данные по нанесению покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрической полости. Экспериментальные исследования по уходу заряженных частиц на стенки полости проводились на макете,, моделирующем цилиндрическую полость, представляющем из себя набор цилиндрических колец, электрически изолированных друг от друга. Последовательная регистрация ионного тока насыщения с каждого кольца позполяла получить его распределение по длине исследуемых макетов.

Проникновение плазменного потока в цилиндрическую полость анализировалось с ■ помощью математической модели, основанной на уравнении непрерывности тока ионов, при пренебрежении рекомбинацией, имеет вид:

о

гае 1(1=0) - ток ионов на входе в полость; ¡(г) - ток ионов на расстоянии г от входа; - плотность ионного тока на стенки полости; Я - внутренний радиус обрабатываемой полости. Ток 1(г) непосредственно связан с потоком ионов, пересекающих поперечное сечение полости следующим образом: Цг) = к№щ(г)£1Уте, где л,- - концентрация ионов, - среднее зарядовое число. Плотность тока ионов на стенку полости при условии, что напряжение отрицательного смешения {/см » кТе, определяется бомовским током: 7/Сг) = где п^г) - концентрация ионов на гравдце

плазма-стенка, полости. Решением данного уравнения с учетом вышеизложенных соотношений будет являться выражение:

Сопоставление расчетных и экспериментальных значений толщины наносимого покрытия 8, распределения плотности ионного тока и концентрации заряженных частиц л,- по длине исследуемых макетов свидетельсвует об удовлетворительном соответствии между ними.

Для расчета также были опробованы разработанные методы недеформированных трубок тока. В этом случае сравнение результатов показывает, что на начальном участке, равном примерно двум диаметрам цилиндра, различие не превышает 20%. На более удаленном расстоянии от входа экспериментальная зависимость имеет более быструю тенденцию к уменьшению, чем расчетная, и разница достигает 25%.

Для повышения скорости роста наносимого покрытия на внутренней поверхности цилиндрической полости была предложена конструкция с использованием дополнительного соленоида. С помощью макета цилиндрической полости были произведены экспериментальные исследования в широком диапазоне, в зависимости от создаваемой конфигурации сопровождаемого магнитного поля и расположения полости относительно соленоида. Было установлено, что увеличение скорости роста ведет к повышению неравномерности толщины формируемого покрытая. Для управления процессом осаждения заряженных частиц формировалось

которое также можно представить в следующем виде

пл

- п -

встречное магнитное поле, препятствующее проникновению плазменного потока в глубину полости. В этом случае неравномерность толщины покрытия на расстоянии двух диаметров не превышала 50%. При других вариантах данная неравномерность достигалась на меньших расстояниях. Тврш образом получено, что при нанесении покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрической полости определенный уровень равномерности может быть достигнут лишь на участке конечной длины, определяемом геометрическими размерами полости, параметрами магнитных систем и -Плазменного потока.

На основе полученных результатов., была разработана методика осаждения покрытия на внутреннюю поверхность камерных анодов. С этой целЭю была переоборудована установка вакуумно-дугового напыления УВНИПА-1-001-3.279.070. В процессе работы был разработан и изготовлен источник плазмы. Для фокусировки плазменного потока использовался конусный соленоид, который был включен последовательно с источником питания вакууммной дуги. Для обеспечения высокой производительности был разработан планетарный механизм леремещения камерных анодов в рабочем объеме, обеспечивающий разворот деталей на 1800 без разгерметизации рабочего объема. Равномерность наносимого покрытия достигалась за счет обработки камерных анодов с двух сторон. В качестве напыляемого материала использовался титан. Отработана технология синтеза соединений.

. В шестой главе изложены результаты исследования фазового состава продуктов эрозии материала катода, рассмотрено влияние капельной фракции на характеристики газопоптощакяцих покрытий, предложен метод по очистке плазменного потока с использованием магнитной системы управления движением заряженной компоненты и решейа задача управления плотностью плазменного потока.

Фазовый состав продуктов эрозии материала катода неоднороден и содержит микрокапельную, паровую и ионизированную фазы, соотношение между которыми зависит от материала катода, его температуры плавления, а также от ряда других параметров. Для изучения вопроса генерации микрокапельной фазы продукты эрозии катода осаждались на поверхность стеклянной пластйны, которая выдерживалась в потоке в течение 10- с. Данные исследования позволили получать картину пространственного распределения капель в рабочем "объеме вакуумно-дугового источника плазмы и оценить количественное изменение капель, генерируемых с катода, во времени. Основное количество микрокапель вылетает с рабочей поверхности катода под утом 20...300 к его поб^рхвести, при этом количество и размеры капель связаны с интегральной 1ем!?Ърат$рой катода.

. Наличие микрокапельной фракции в продуктах эрозии материала катода вносит характерный вклад в процесс формирования покрытия, в результате чего они получаются шероховатыми с довольно развитой поверхностью, что благоприятно сказывается на их газопогпощающих свойствах. С этой целью была исследована удельная емкость титановых шопошотителей в зависимости от уша ориентации подложки в пространстве. Было получено, что максимум удельной емкости соответствует максимуму распределения микрокапельной фракции в рабочем объеме. ■

Применение вакуумно-дуговой технологии в ряде случаев требует очистки плазменного потока от микрокапельной фракции. С этой целью предложена конструкция сепаратора, расположенного в рабочем объеме' на пути плазменного потока и находящегося лрд плавающим потенциалом. Конструктивно сепаратор выполнен так, что за счет Использования предлагаемого набора конических колец создан непроходимый оарьер для микро- и макрокапель, а также нейтральных частиц, находящихся в плазменном потоке и имеющих прямолинейные траектории. В этом случае их осаждение осуществляется на поверхности сепаратора, обращенной в сторону - катода, и тем самым исключается возможность их попадания на обрабатываемую поверхность подложки. Для повышения коэффициента прохождения ионной компоненты сквозь объем' сепаратора и повышения скорости роста • наносимого покрытия :за подложкодержателем устанавливается дополнительный соленоид. Эффективность системы транспортировки заряженной компоненты плазменного потока определяется конструкцией используемого сепаратора и создаваемой конфигурацией магнитного поля, согласование которых позволяет приблизить коэффициент прохождения к 50%. ' •

Учитывая сложность математического моделирования прохождения заряженными частицами объема сепаратора, рассматривалась упрощенная его модель, представляющая из себя набор плоско-параллельных пластин длиной Luc расстоянием между ними Н.

При описании взаимодействия плазменного потока с системой электродов использовалось уравнение баланса ионной компоненты:

/,(г = L) = /,(г = 0) - J0,5 eV^)dS.

где Sq - полная поверхность пластины.

Torna для коэффициента прозрачности // относительно потока ионов имеем:

1 7,(7 = 0) 7,(2 = 0 Считая, что скорость плазменного потока при прохождении системы электродов не изменяется, а изменяется лишь плотность потока, для коэффициента ослабления электродной системы получаем:

{ УиЬ\

\ гт 11 /

Это соотношение хорошо согласуется 'с экспериментальными данными. При ориентации системы электродов относительно плазменного потока под некоторым углом а коэффициент прозрачности 7 определяется: >

Сопоставление приведенных результатов свидетельствует о том, что предложенная математическая модель в целом удовлетворительно описывает взаимодействие потока плазмы с системой пЛоско-параллельных электродов и позволяет достоверно определить коэффициент прохождения для ионной составляющей заряженной компоненты плазменного Потока. Таким образом можно получить плазменный поток заданной плотности , позволяющий обеспечить необходимый тепловой режим обрабатываемого изделия в процессе формирования покрытия.

Основные результаты работы.

1. На основе дифференциальных уравнений движения, полученных из уравнений магнитной гидродинамики, предложена математическая модель формирования моноскоростного плазменного потока, с учетом неоднородности магнитного поля, начальной скорости ионов и функции распределения плотности ионного тока по поверхности катода.

2. Разработан пакет программ Для расчета распределения плотности ионного тока-в заданном сечении. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментально полученными данными для различных конструкций цакуумно-дуговых источников плазмы, при этом расходимость не превышала 20%.

3. Разработаны, изготовлены и исследованы вакуумно-дуговые источники плазмы с дополнительными машитными системами. Показано, что при их использовании, за счет перераспределения заряженных частиц в

рабочем объеме, удается более чем в 2...3 раза повысить скорость роста наносимого покрытия.

4. Выявлено, что равномерность толщины покрытия, наносимого из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда, определяется характером пространственной конфигурации магнитного поля, . создаваемого дополнительным элементом системы транспортировки в ' области подложкодержателя.

5. На базе установки вакуумно-дугового напыления УВНИПА-1-001-3.279.070, с использованием предложенной методики магнитного управления движением заряженной компоненты плазменного потока, отработана техника и технология нанесения покрытия на внутреннюю поверхность камерных анодов генераторных ламп. Изготовление приборов с анодами, имеющими покрытия на внутренней поверхности, увеличило реальную долговечность приборов в 1,5...2 раза.

6. Исследована зависимость генерации капельной фракции, что позволило определить условия формирования газопогяощаюгцих покрытий Предложен и реализован метод очистки плазменного потока. При согласовании сопровождающего магнитного поля с геометрией сепаратора удается поднять коэффициент использования плазмообразующего материала до 50%. ■ ■■

7. Для согласования плотности плазменного потока с задаваемыми тепловыми режимами формирования покрытия ¿к обрабатываемом изделии предложен регулятор в виде системы плоско-параллельных электродов, геометрия которых определяется требующимся . коэффициентом прохождения плазменного потока.

Материалы исследований могут быть использованы при работе с вакуумно-дуговыми источниками плазмы в различных областях их практического применения.

Основные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. АС № 1529765, МКИ С23С14/32. Устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных цилиндрических изделий / И.С.Абрамов, Ю.А.Быстров, А.АЛисенков и др. (СССР) - № 4327353/24-21; Заявл. 16.11.87.

2. АС № 1552688, МКИ С23С14/32. Способ нанесения покрытий в вакууме / И.С.Абрамов, Ю.А.Быстров, А.АЛисенков и др. (СССР) - № 4380130/24-21; Заявл. 21.12.87.

3. АС № 1561739, МКИ H01J7/18. Способ вакуумно-дугового нанесения титановых покрытий / И.С.Абрамов, М.Ф.Боярина, А.АЛисенков и др. (СССР) - № 4368420/24-21; Заявл. 18.01.88.

4. Лисенков A.A. Возможности управления движением плазменного Потока, генерируемого вакуумно-дуговым устройством // Вакуумная и плазменная электроника: Сб.науч.тр. / РРТИ. - Рязань, 1989. - С.4-8.

5. Лисенков A.A. Исследование движения плазменного потока в неоднородном магнитном поле // Изв. ЛЭТИ: Сб.науч.тр. - Л., 1989. -Вып.408. - С.49-53.

f 6. Абрамов И.С., Лисенков A.A. Исследование дефектов покрытий из алюминия на стекле, полученных вакуумно-дуговым методом II Вакуумная и плазменная электроника: Сб.науч.тр. / РРТИ. - Рязань, 1989. - С.9-11.

7. Абрамов И.С., Лисенков A.A., Товкач Л.Н. Особенности ионной очистки внутренней поверхности цилиндрической полости в потоке продуктов эрозии катода вакуумно-дугового разряда // Ионно-плазменные ускорители и их применение: Сб.науч.тр. / ХАИ. - Харьков, 1990. - С.119-123. • •

8. АС № 1780455, МКИ С23С14/32. Способ изготовления электродной системы вакуумного люминесцентного индикатора / И.С.Абрамов, Ю.А.Быстров, А.АЛисенков и др. (СССР) - № 4877056/21; Заявл. 23.07.90.

9. Лисенков A.A., Шаронов В.Н. О синтезе карбида циркония с помощью, вакуумно-дугового разряда // Изв. ЛЭТИ: Сб.науч.тр. - Л., 1990. -Вып.419. - С.35-39.

10. Лисенков A.A., Шаронов В.Н. Система транспортировки плазменного потока, генерируемого вакуумно-дуговым устройством // Вакуумная и плазменная электроника: Сб.науч.тр. / РРТИ. - Рязань, 1991. -С.70-73.

11. Абрамов И.С., Лисенков A.A. Прохождение потока плазмы через систему электродов типа жалюзи // Электронные приборы: Сб.науч.тр. / РРТИ. - Рязань, 1992. - С.20-23.

12. Верещагин Д.В., Лисенков A.A. К вопросу о расчете траекторий движения заряженных частиц, генерируемых вакуумно-дуговым устройством' // Изв. ГЭТУ: Сб.науч.тр. - СПб., 1993. - Вып.455. - С.38-42.

13. Верещагин Д.В., Лисенков A.A., Шаронов В.Н. Расчет траекторий движения заряженных частиц // Вакуумная и плазменная электроника: Сб.науч.тр. / РРТИ. - Рязань, 1993. - С.117-120.

14. Абрамов И.С., Лисенков A.A. Влияние ориентации поверхности в потоке плазмы на величину ионного тока // Вакуумная и плазменная электроника: Сб.науч.тр. / РРТИ. - Рязань, 1993. - С.85-87.

'15. Исследование возможности применения дуоплазматрона с вакуумным дуговым разрядом для создания пленок из порошковых материалов .с низкой проводимостью / И.С.Абрамов, В.Т.Барченко, А.АЛисенков и др. // Изв. высш.уч.заведений; Физика. - Томск, 1994. -№ 3. - С.121-131.

16. Лвсевхов А.А. Математическое моделирование пространственного распределения заряженных частиц в плазме вакуумно-дугового разряда // Вакуумная наука и техника: Тез докл. НТК, г.Гурзуф, окт. 1994г. - С.ЗО.

17. Абрамор -И.С., Быстрое' Ю.А., Лисепков А.А, О применении вакуумно-дуговой технологии нанесения пленочных структур в производстве электронных приборов // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Труды П Межд.НТК, ^Новосибирск, нояб. 1994 г. - Т.1, -С.41-43. »

Подписано в печать 7.03.95 формат60*84/16 Печать офсетная. Заказ № Печатный лист 1,0 Тираж Ю0 экз-

Ротапринт МГП "Поликом" 197376, Санкт -Петербург, ул.Проф. Попова, 5