автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Плазменные эмиссионные системы на базе разряда низкого давления для нанесения покрытий из мелкодисперсных материалов

На правах рукописи

Гребнев Олег Игоревич

ПЛАЗМЕННЫЕ ЭМИССИОННЫЕ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05 27 02 «Вакуумная и плазменная электроника»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□3176217

Санкт - Петербург - 2007

003176217

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Барченко В Т

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Карманенко С Ф

кандидат физико-математических наук, ст науч сотр Сошников И П

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный поли технический университет»

Защита диссертации состоится « » иОЛу/ОЛ. 2007 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212 238 08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул Проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « <2 » ОКи£0р& 2007 г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Традиционно наибольшее распространение электронно- ионно- плазменные технологии имели при производстве изделий электроники, микро- и оптоэлектроники Однако в последние годы сфера их применения значительно расширилась Анализ современного состояния развития исследований и производства в области «критических» технологий и техники новых поколений позволяет сделать заключение о том, что одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений является физика и технология микро- и наносистем Ввиду того, что в указанных системах в качестве характерных выступают размеры атомного уровня, при их изготовлении необходимо использовать «инструмент», обеспечивающий устойчивое воспроизведение размеров в нанометровом диапазоне В качестве «инструмента» для указанных целей весьма эффективно использование потоков заряженных частиц и плазмы

Актуальность данной работы обусловлена возрастающими потребностями различных отраслей машиностроения, и в первую очередь электронного приборостроения, в оборудовании с использованием плазменных эмиссионных систем для нанесения покрытий различного функционального назначения В настоящее время нанесение покрытий из вещества в нанодисперсной фазе преимущественно осуществляется при помощи распылительных систем использующих плазму высокого или среднего давления Значительного повышения качества наносимых покрытий можно ожидать при понижении давления плазмообразующего газа Однако методам нанесения покрытий из мелкодисперсного материала на базе разрядов низкого давления до последнего времени уделялось недостаточно внимания

В известной нам литературе не удалось найти разработанных научных подходов и моделей плазменных эмиссионных систем на базе разряда низкого давления для нанесения пленок из нанодисперсных материалов

В настоящее время, в связи со значительным расширением фронта работ в области нанотехнологии и наноматериалов, теоретические и прикладные исследования в указанных областях начинают активно развиваться, что отражает объективные потребности современной науки, техники и производства С учетом вышеизложенного, представляется целесообразным более детальное и глубокое изучение плазменных эмиссионных систем на базе разрядов низкого давления для нанесения различного рода покрытий из материалов в мелкодисперсной фазе

В диссертации разработаны модели, которые адекватно описывают поведение материала вводимого в плазму низкого давления в нанодисперсной фазе На конкретных примерах показаны возможности

разработанных моделей при расчете характеристик плазменных эмиссионных систем для нанесения покрытий различного функционального назначения

Выполнена оценка точности разработанных моделей путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными

Изложенное выше определяет актуальность исследований, представленных в настоящей работе, которая обусловлена стремлением получения новых знаний о физике процессов в многокомпонентной плазме низкого давления, а также потребностями науки, техники и производства в разработке и использовании более совершенного аналитического и технологического оборудования, обеспечивающего расширение областей использования новых процессов, базирующихся на применении потоков заряженных частиц и плазмы

Целью работы является построение моделей описывающих процессы в плазме низкого давления при введении в нее мелкодисперсной фракции, получение новой научной информации о процессе взаимодействия микрочастицы с потоком плазмы низкого давления при произвольных функциях распределения электронов по скоростям, изучение влияния мелкодисперсной фракции на микроскопические характеристики плазменного образования

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1 Уточнение картины физических явлений, имеющих место при введении мелкодисперсной фракции в плазму низкого давления,

2 Рассмотрение составляющих потоков заряженных частиц в пограничном слое между поверхностью частицы микронных размеров и плазмой при низких давлениях,

3 Рассмотрение энергетических потоков, переносимых частицами из плазмы на поверхность микроскопической частицы и с ее поверхности в плазму,

4 Исследование динамики поведения частицы микронных размеров, вносимой в плазменное образование при низких давлениях,

5 Моделирование характеристик плазменных эмиссионных систем конкретных типов (дуоплазматрон, газоразрядная камера с накаленным катодом, поток плазмы в вакуумном дуговом испарителе),

6 Проверка адекватности разработанных моделей,

7 Экспериментальное исследование возможностей применения дуоплазматрона для нанесения покрытий из материалов в мелкодисперсной фазе

Новые научные результаты:

1 Разработаны модели, позволяющие с единых позиции описывать процессы, протекающие в плазме низкого давления, генерируемой в разрядах постоянного тока, при внесении в нее мелкодисперсных материалов как из металлов, полупроводников и диэлектриков, так и из композиционных материалов на их основе

2 Выявлены процессы и получены соотношения, позволяющие рассчитать квазиравновесный потенциал, до которого заряжается частица микронных размеров, вносимая в плазму низкого давления

3 Показано влияние вида функции распределения электронов по скоростям в плазме низкого давления на энергообмен между частицей микронных размеров и окружающей ее плазмой

4 Уточнена картина физических процессов, происходящих при теплообмене в системе «плазма низкого давления - нанодисперсный материал»

5 Получена новая информация о поведении капельной фракции в металлической плазме вакуумного дугового разряда, кореллирующая с результатами других исследователей

6 Установлено, что конечная энергия электронов в разряде дуоплазматронного типа в предобрывном состоянии определяется начальной концентрацией нейтралов в области сужения

Практическую ценность работы составляют:

1 Разработанная модель, характеризующая процессы нагрева, плавления и испарения нанодисперсного материала в плазме низкого давления позволяет, по предложенным в работе алгоритмам, вести расчеты различных параметров плазменных генераторов при постановке конкретных задач

2 Результаты исследований физико-химических превращений в системе «мелкодисперсный материал - плазма низкого давления», являются базовыми для дальнейшего совершенствования и технологического оборудования для ионно-плазменной модификации поверхности твердого тела и реализуемых с его помощью современных наукоемких, экологически чистых и высокоэффективных технологий в различных областях науки, техники и производства

3 Экспериментально апробирована конструкция дуоплазматрона, которая может быть использована в качестве базовой при разработке промышленных модулей для нанесения покрытий из мелкодисперсных материалов

Достоверность полученной в работе информации определяется:

- удовлетворительным согласием теоретических оценок, результатов математического моделирования и экспериментальных данных,

- хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных по различным методикам,

- непротиворечивостью полученной в работе информации и выводов, сделанных на ее основе, с результатами других исследователей

Внедрение результатов.

Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, использовались при выполнении научно-исследовательских работ

1 Государственный контракт № 02 513 11 3117 на выполнение научно-исследовательских работ 2007 года «Механизмы образования нанокластеров и управляемая ионно-плазменная технология получения микроволновых поглощающих покрытий на основе композитов из нанокластеров магнитных металлов в углеродной матрице»

2 Госбюджетные научно-исследовательские работы, проводимые по заданию Министерства образования и науки РФ (ЕЗН и поддержка ведущих научно-педагогических школ)

3 Договорные работы с НТЦ «Прикладные нанотехнологии»

Реализация результатов работы. Тема диссертационной работы тесно связана с планами госбюджетных работ, проводимых по государственным научно-техническим программам и грантам Исследования проводились в тесном сотрудничестве с ведущими отечественными научно-исследовательскими и промышленными предприятиями ФТИ им А Ф Иоффе РАН, ЗАО «Светлан Рентген», НТЦ «Прикладные нанотехнологии», ФГУП «НИИ ЭФА им ДВ Ефремова» и др

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах

3-я, 4-я и 5-я Всероссийские научно-технические конференции с международным «Быстрозакапенные материалы и покрытия», 2004-2006 г, Москва, «МАТИ - РГТУ им К Э Циолковского»

Ежегодный научно-технический семинар «Вакуумная техника и технология», СПб, 2004-2007 г г

8-я и 9-я научная молодежные школы по твердотельной электронике "Актуальные аспекты нанотехнологии", май 2005, Санкт-Петербург, Репино,

11-й Международный крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника» - Улан-Удэ, 2006 г

IV Международная НТК «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», май 2006 г, Новополоцк, Беларусь

Всероссийская н -т Конференция с международным участием «Новые материалы и технологии» НМТ - ноябрь 2006, Москва

58-62 НТК Профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭ ГИ», 2003-2007 i г, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

8-я Международная конференция «Пленки и покрытия - 2007», Санкт-Петербург, 22-24 мая 2007 г

Научные положения, выносимые на защиту:

1 В квазистационарном режиме потенциал поверхности частицы, помещенной в плазму низкого давления, определяется как видом функции распределения электронов по скоростям, так и эмиссионными потоками зарядов с поверхности микрочастицы в плазму

1 ¡овысить разность потенциалов, локализуемую в слое пространственного заряда между плазмой и поверхностью микрочастицы, можно облучая последнюю потоком высокоэнегетичных электронов, который может быть сформирован в области катодного падения напряжения разряда низкого давления или при диафрагмировании разрядного промежутка

2 Изотермическое приближение для распределения температуры в объеме сферической частицы, используемое в разработанной модели, позволяет адекватно описывать физико-химические процессы в системе «плазма низкого давления — нанодисперсный материал», и может быть использовано при расчете динамики теплообмена микрочастицы с плазмой с точностью не хуже 15 % при размерах последней не превышающих 150мкм

3 Предельная энергия электронов в предобрывном состоянии при протекании тока в диафрагмированном промежутке дуоплазматрона определяется начальной концентрацией газа в области контрагирования

4 Для формирования покрытий из металлов, полупроводниковых материалов и диэлектриков эффективно применение дуоплазмотронного генератора плазмы с введением мелкодисперсной фракции в область между сжимающим электродом и анодом Существенное повышение качества наносимых покрытий достигается вследствие пространственного разделения области испарения мелкодисперсного материала и области конденсации покрытия

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 статьи (1 статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном издании, определенном ВАК), 9 работ - в трудах и материалах научно-технических конференций

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти 1лав, заключения, списка литературы, включающего 123 наименования, и 2-х

приложений Основная часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста Работа содержит 32 рисунка и 8 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность проблемы, ее научная новизна и научные положения, выносимые на защиту Первая глава носит обзорный характер

Улучшение качества выпускаемой продукции, повышение эффективности производства, за счет снижения трудоемкости и себестоимости, предполагает создание и внедрение в производство не только новой техники и материалов, но и прогрессивных технологий

Нанесение пленочных покрытий посредством плазменных эмиссионных систем 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 наносимых покрытий, постоянно расширяется в связи с их высокими качественными показателями и с возможностью получения покрытий с широким спектром функциональных свойств

Приводятся сведения о наиболее перспективных методах применения плазменных технологий нанесения покрытий из материалов, обладающих различными свойствами Рассмотрены преимущества и недостатки ионно-плазменных методов нанесения различного рода покрытий

На основе анализа литературных данных формулируются цели и задачи диссертационной работы

Во второй главе приводится описание предложенной в работе модели для описания процессов в плазме низкого давления, при внесении в нее мелкодисперсного материала

При введении в плазму низкого давления мелкодисперсных частиц в независимости от проводимости материала частицы, последние ведут себя как изолированное тело

В квазистационарном случае, когда скорость изменения потоков частиц и их энергетические характеристики меняются не слишком быстро, интенсивность потоков электронов и атомных частиц в окрестности мелкодисперсной частицы будут определятся условиями стационарности поверхностного заряда частицы и соответствующим этому условию квази равновесным потенциалом на ее поверхности относительно потенциала плазмы

При построении моделей поведения мелкодисперсной частицы в плазме низкого давления были использованы следующие основные предположения и допущения

1 В модели рассматриваются плазменные эмиссионные системы, при I енерации газоразрядной плазмы в которых

- исчезающе мала роль процессов объемной рекомбинации, а гибель заряженных частиц происходит на ограничивающих газоразрядный объем поверхностях и поверхности частиц, вносимых в плазму,

- генерация заряженных частиц в объеме газоразрядной камеры в основном осуществляется электронным ударом,

- соотношение средних энергий хаотического теплового движения электронов, ионов и нейтральных частиц определяется неравенством Те »Т, > Та, где Те, Т, Та - соответственно температуры электронной, ионной и атомной компонент плазмы

2 В уравнениях модели функция распределения электронов (ФРЭ) записывается в виде суперпозиции ФРЭ для плазменных электронов и ФРЭ высокоэнергетической составляющей в виде смещенной Максвелловской функции или в виде дельта-функции

3 Неоднородность концентрации плазмы по объему учитывается косвенно через введение среднего по объему значения концентрации

4 На начальном этапе при записи уравнений модели не учитывается наличие химических реакций

5 В модели принимается, что мелкодисперсная частица имеет сферическую форму

6 При рассмотрении динамики поведения мелкодисперсной частицы в плазме низког о давления принимается, что последняя эквитемпературна

7 При моделировании принимается, что мелкодисперсная частица не полностью испарившаяся в плазме покидает ее

Проведен анализ баланса токов в исследуемой системе, который является фактором, определяющим модуль и знак падения напряжения между частицей микронных размеров и плазмой - ис„ Его значение в дальнейшем необходимо знать для определения составляющих баланса мощности в изучаемой системе с учетом величины и знака скачка потенциала у поверхности частицы

Изолированная частица, введенная в плазму низкого давления, будет заряжаться положительно или отрицательно относительно плазмы В какой-то момент времени в результате диффузионного движения части электронов и ионов из плазмы к частице установится равенство электронного и ионного токов Скачок потенциала (Усл около частицы с избыточным зарядом будет локализован в тонком слое газа, за пределами которого находится неискаженная плазма Анализ баланса мощности и уравнения модели, описывающей тепломассообмен и кинетику процессов нагрева, плавления и

испарения материала, в изучаемой системе рассматриваются для двух случаев

— случай отрицательного падения потенциала у поверхности частицы (£/сп<0), когда Т< Т\, те температура тела (7) меньше температуры Т\, при которой потенциал тела равен потенциалу плазмы ({7СЛ = 0),

— случай положительного падения потенциала у поверхности частицы ((Уи,>0) , имеющий место при больших значениях тока эмиссии

В главе производится анализ энергетических потоков, оказывающих влияние на скорость и эффективность процессов тепломассообмена в указанной системе

Разработан и представлен вариант определения плотности потока эффективной мощности (энергии), подводимой из плазмы низкого давления к частицам материала без решения задачи в частных производных, с учетом отмеченных ранее особенностей процесса (наличия скачка потенциала у поверхности частицы - {Усл, эмиссионных явлений и др), которые в известных нам моделях не изучались

В исследуемой системе представлена квазимолекулярная модель передачи тепла частицам вещества электронной и ионной компонентами плазмы при условиях, когда средняя длина свободного пробега частицы в плазме одного порядка (к„=?Ус1=\, где к„ - критерий Кнудсена) или больше характерного размера (с1) генератора плазмы (2Ус1 >1)

В третьей главе рассматривается динамика процессов в частице микронных размеров, введенной в плазму низкого давления, с учетом принятых ранее допущений Изменение температуры частицы (рис 1 ) во времени может быть найдено из решения нестационарного уравнения теплопроводности с учетом баланса энергии в пограничном слое у ее поверхности и изменения диаметра частицы за счет испарения и ионного (катодного) распыления

Кинетика поведения материала частицы, введенной в плазменный поток, зависит от ее начальной температуры, агрегатного состояния, теплофизических свойств материала и микроскопических параметрами плазмы

За счет энергии плазменного потока температура частицы начинает повышаться (рис 1) до температуры плавления Тпп Затем в момент времени Т| (рис 1) рост температуры прекращается, пока к частице не будет подведена энергия, обеспечивающая плавление всей массы частицы Схема, иллюстрирующая изменение линейных размеров твердой и жидкой фаз в частице на стадии плавления приведена на рисунке 2 После плавления всей массы (точка на графике Т— Т(х), соответствующая Т) - рис 1) возобновляется дальнейший рост температуры, который происходит до тех пор, пока температура частицы не достигнет температуры кипения в момент времени Тз Температура кипения будет предельной для макроскопической частицы С

течением времени, за счет подводимой энергии происходит испарение материала В момент времени т4 мелкодисперсная частица полностью испаряется

В четвертой главе с использованием, полученных ранее уравнений, были проанализированы процессы в газоразрядной камере с накаленным катодом и в металлической плазме вакуумного дугового разряда с интегрально холодным катодом

В разрядах низкого давления, когда длина свободного пробега электрона Хс больше или равна (1 и выполняется условие Те »Т,, при 'Ге = 5 10 эВ (или

5 6 104 ] 2 105 К), что имеет место в разряде без магнитного поля, плазменные электроны вносят значительный вклад в ионизацию газа, поэтому в уравнениях баланса частиц учитывается ионизация частиц и катодными, и плазменными электронами Этот учет заключается во введении двугрупповой ФРЭ

Скорость каждой реакции пропорциональна произведению концентраций взаимодействующих частиц и сечения взаимодействия, усредненного по распределению

В общем виде сечение ионизации, усредненное по функции распределения электронов можно записать

<4, <4 - диаметр твердой и жидкой фаз в частице,

Рте Рж - плотноегь твердой и жидкой фаз в частице

Т, С

Рис 1

Рис 2

00

О

Система уравнений баланса частиц имеет вид уравнение сохранения числа частиц

«00 = п0 + "1 + п3 + л4> уравнение электронейтральности

«1 + 2и2 + 3«з + 4я4 « пе,

' Сщ ' . Л

2Теппк

м

Аг

С«2 Л

+"1(^1+^2+^}).

+ "0К ("2(ст2+-»0 + ст2+->1+)) = "е("0 (а0->2+Уе)

+

Сп 2 Л

М

аг ;

+/7оК («з(стЗ+->0 +стЗ+->.2+)) =

= и* («О (<*0->3+^) + Щ (а1+^.3_,Уе) + п2 {о2+^з+Ке)), Сп2 12Тепл/с Л V мАг

+ ИоПзКДо^^о + о4+_>1+ + а4+_>2+ + >3+) =

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

= пе ("0 + "1 {ст1н—+ и2 (о2+^4+Ке) 4- «3 (а3+^4+Ке))

В уравнениях (3) - (6) левые части описывают уход, а правые -генерацию ионов соответствующего сорта

Система (1) - (6) связывает с помощью шести уравнений восемь неизвестных Пл>пе>"00>и0>и2>и3>"4 Решить такую систему однозначно нельзя На практике задаются значения 7епл, пе, а значения и00,ио,я|,и2,из,и4 определяются в результате решения указанной системы Выбор в качестве параметра 7^пл, а не яд сделан для упрощения решения системы уравнений Результатом решения системы является набор значений «00,«о,И],«2,«3,«4, соответствующих заданным Гепл и пс При введении в плазму нанодисперсной фракции, в нашем случае это был порошок БЮг, параметры плазмы претерпевают значительные изменения Произошедшие изменения были учтены при составлении и решении уравнений баланса частиц и уравнений баланса энергий

На рис 3 приведены изменение и N¡¡=N01/10 с изменением

плотности ионного тока (/,) для Те=5 эВ и концентрации плазменных

электронов пе =10

20 м-3

Разработанные модели могут быть использованы также и при моделировании процессов в плазме, когда мелкодисперсная фракция генерируется непосредственно в разряде, а не вводится извне

Ц 1

, А/см2

А/см'

Рис. 3

Указанная ситуация реализуется в вакуумном дуговом разряде с интегрально холодным катодом, который, как известно, на ряду с электронами генерирует плазменно-паровой поток, содержащий капли с размерами в диапазоне от долей микрона до ста микрон.

При использовании теоретической модели процесса энергообмена сферических капель с неравновесной плазмой на примере вакуумного дугового разряда с титановым катодом показано, что в определенном диапазоне параметров плазмы могут реализовываться два различных режима поддержания квазистационарной температуры капли. В одном из них поток энергии из плазмы на каплю уравновешивается охлаждением за счет термоэмиссии электронов, во втором - за счет интенсивного испарения плазмы. Между этими двумя режимами, имеющими определенные квазистационарные температуры, располагается область температур, которой соответствуют неустойчивые состояния. Конкретная реализация того или другого режима определяется начальной температурой капли. При расчете теплообмена капли с окружающей плазмой существенное значение играет то обстоятельство, что горячая капля может испускать электроны термоэмиссии. Если этот процесс становится интенсивным, то существенно меняется потенциал капли относительно плазмы. От величины потенциала экспоненциально зависит ток плазменных электронов на каплю, а значит, и поток тепловой энергии. В результате эмитирующая капля может разогреваться до более высоких температур, чем это имеет место для неэмитирующей капли. Таким образом, можно выделить два режима теплообмена капли с плазмой: обычный режим со сравнительно большим отрицательным плавающим потенциалом капли, когда основным каналом потерь энергии с капли является тепловое излучение; и эмиссионный режим с низким по сравнению с тепловой энергией электронов кТе значением плавающего потенциала, когда основным каналом теплоотвода является поток испаренных атомов и эмитированных электронов.

Легкоиспаряемые металлы, не имеют участка с неоднозначным решением для температуры Это объясняется тем, что у таких металлов теплоотвод за счет испарения стабилизирует температуру капли прежде, чем появляется поток термоэлектронов, способный уменьшить плавающий потенциал капли, а значит и увеличить поток тепловой энергии из плазмы Полученные результаты коррелируют с данными других авторов

Глава 5 посвящена описанию результатов экспериментального определения возможности использования плазменной эмиссионной системы на базе разряда низкого давления, в которой формируется ФРЭ с высокоэнергетичным «хвостом» для нанесения покрытий из материалов в мелкодисперсной фазе В качестве базовой плазменной эмиссионной системы был выбран дуоплазматрон В силу того, что в дуоплазматроне разрядный ток протекает в электродной системе, содержащей сужения, в разряде могут возникать неустойчивости, приводящие к неустойчивости разряда, на первом этапе были выполнены исследования по определению предельных режимов существования разряда в дуоплазматроне

Характерной особенностью эмиссионной системы дуоплазматронного типа является контрагирование разряда за счет использования сжимающего электрода и магнитного поля В связи с этим максимальный стабильный ток разряда в системах данных типов сверху ограничен явлениями нестабильного токопротекания, а в предельном случае и обрывом тока разряда При токах разряда, меньших критического, сужение играет положительную роль, так как в контрагированной прианодной плазме концентрация плазмы на 1-2 порядка превышает таковую в области катода Возникающий перед сужением со стороны катода двойной электрический слой ускоряет катодные электроны до энергии в десятки электрон-вольт, за счет этой группы электронов возрастает скорость генерации ионов вблизи анодного отверстия

Необходимым условием существования разряда является выполнение условия баланса ионов, образующихся в разрядном промежутке, и ионов, уходящих из разряда При нарушении этого условия разряд резко изменяет форму, что получило название обрыва тока разряда низкого давления В рассматриваемой модели процессов, приводящих к обрыву тока в дуоплазматроне принимается, что первопричиной цепочки явлений, приводящих в конечном счете, к нарушению протекания тока через сжимающий электрод, является выдувание газа из области сужения за счет упру! их соударений потока электронов движущихся от катода к аноду

Наибольший интерес представляет определение критической плотности тока и энергии электронов, соответствующих предобрывному состоянию разряда, т к по литературным данным в этом режиме дуоплазматрон является наиболее эффективным генератором как однозарядных, так и многозарядных ионов

В экспериментах величина тока разряда медленно увеличивалась до достижения момента обрыва тока При помощи измерительного прибора фиксировалась максимально достижимая величина тока По полученным значениям и известным размерам сужения в контрапирующем электроде была вычислена плотность тока обрыва в дуоплазматроне

Результаты, полученные в ходе расчетов по модели, учитывающей условия протекания токов, близких к критическим в дуоплазматроне, а также данные экспериментальных исследований позволили сделать следующие выводы

1 Величина энергии электронов в плазме разряда низкого давления, контрагированного при помощи электрода с сужением зависит от отношения тока разряда к давлению газа в разрядном промежутке и увеличивается с ростом этого отношения

2 Максимально достижимая энергия электронов в разряде определяется возникновением неустойчивости в прианодной плазме Величина этой энергии уменьшается при увеличении начального давления в области сужения

3 Расчетные соотношения, устанавливающие связь между параметрами разрядного промежутка и величинами плотности тока и энергии электронов плазме положительного столба и позволяющие определять максимально достижимые в разряде низкого давления плотности тока и энергии электронов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными

Для экспериментального изучения возможности нанесения пленок была разработана конструкция специализированного дуоплазматрона, в которой была предусмотрена возможность введения мелкодисперсных порошков в пространство между сжимающим электродом и анодом

Совокупность конструкторских решений обусловила отличительные черты предложенного метода напыления пленок различных материалов

- разделение по давлению разрядной камеры, реакционного объема и камеры конденсации за счет введения в конструкцию диафрагм и реактора-испарителя с плазменным и паровым капиллярами,

- повышение степени ионизации плазмообразующего газа за счет реализации дугового контрагированного разряда низкого давления,

- объединения функций испарения и ионизации В предложенном методе нагрев, плавление и испарение мелкодисперсной фракции материала, ионизация паров и их перенос к подложке осуществляется одним и тем же плазменным потоком,

-повышение степени ионизации парового потока в процессе повторного контрагирования перед конденсацией на подложке за счет введения дополнительного анода с паровым капилляром

В работе были рассчитаны параметры плазменного" генератора типа дуоплазматрон для случая дугового контрагированного разряда с Те =5 эВ и тока разряда /=30А по предложенной в предыдущих главах модели

Скорость испарения нанодисперсного материала, состав паровой фазы, физико-химические и физические свойства осаждаемых пленок в основном определяются значениями таких параметров плазмы, как температура и плотность тока Значения указанных параметров в свою очередь зависят от геометрии электродов плазменного генератора и технологических режимов работы устройства (электрической мощности, состава плазмообразующего газа, массового расхода, давления в реакторе-испарителе)

Рассчитанные основные интегральные параметры плазменной эмиссионной системы дуоплазматронного типа, которые позволяют выбрать оптимальные параметры плазмы для мгновенного и полного испарения мелкодисперсных материалов в плазме низкого давления, которые приведены в таблице 1

Таблица 1

Оптимальные условия мгновенного испарения порошков стекла СЧ] -1, __резистивного сплава РС-4800 и кермета К-50С

/Р,А 45-60 30-45 30-35 25-30

и, В 260-300 260 260-300 300-320

Рр, Торр 1*10 2 3*10 1*10'3 5*10"2

Исследование состава и микроструктуры наносимых пленок из порошков стекла СЧ1-1, резистивного сплава РС-4800 и кермета К-50С показало, что ФХСП и исходных материалов достаточно близки Исследование электрофизических свойств пленок показало, что сопротивление полученных пленок на 1-2 порядка больше, чем при термическом испарении

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты

1 Построена самосогласованная микроскопическая модель для описания физико-химических превращений, тепломассообмена и кинетики процессов нагрева, плавления и испарения в системе «плазма низкого давления -нанодисперсная частица», позволяющая

- качественно и количественно описывать тепломассообмен в указанной системе при учете величины и знака скачка потенциала у поверхности частицы, интенсивности эмиссионных явлений, процессов ионного распыления,

- рассчитывать время испарения мелкодисперсных частиц, а также изменение массы и линейных размеров частицы с ростом температуры ее поверхности и с учетом фазовых превращений и эмиссионных процессов

2 Разработанная модель позволила рассчитать зарядовый состав ионной компоненты плазмы в газоразрядной камере с накаленным катодом при больших плотностях тока

3 С помощью разработанной модели были получены данные по поведению капельной фракции в металлической плазме вакуумного дугового разряда с интегрально холодным катодом

4 Исследованы предельные режимы протекания гока в разряде с двойным контрагированием Получены расчетные соотношения, устанавливающие связь между параметрами разрядного промежутка и величинами плотности тока и энергии электронов в плазме положительного столба и позволяющие определять максимально достижимые в разряде низкого давления плотности тока и энергии электронов

5 Выполненные эксперименты по нанесению пленок из мелкодисперсных материалов в плазменной эмиссионной системе типа дуоплазматрон показали адекватность разработанных моделей и перспективность использования дуоплазматрона на постоянном юке для нанесения пленок из резистивных сплавов и диэлектриков

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Барченко, В Т Исследование закономерностей испарения частиц микронных размеров в плазме низкого давления/ В Т Барченко, О И Гребнев// 59-я науч -техн. конф , посвященная Дню Радио, г С -Петерб , 2-27 апр 2004 г сб материалов -СПб СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004 -С 168-171

2 Барченко, В Т Испарение частиц микронных размеров в плазме низкого давления/ В Т Барченко, О И Гребнов// Вакуумная техника и технология Ежегод науч -техн семинар сб материалов , С -Петерб, 1 -3 июня 2004 г - СПб «ИНТЕКВАКУУМ», 2004 - С 34-35

3 Барченко, В Т Исследование эффекта усиления плазменного тока/ В Т Барченко, О И Гребнев, Ю М КислухаИ 58-я науч -техн конф , посвященная Дню Радио и 300 - летаю Санкт-Петербурга, г С -Петерб , 5-25 апр 2003 г сб материалов - СПб . СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003 -С 170-172

4 Барченко, В Т Режимы теплообмена макрочастицы в неравновесной плазме/ В Т Барченко, О И Гребнев// Быстрозакаленные материалы и покрытия 3-я Всерос науч -техн конф с междунар участием, г Москва, 2324 нояб 2004г сб материалов - М МАТИ - РГТУ им К Э Циолковского, 2004 - С 94-99

5 Барченко, В Т Моделирование процесса испарения порошковах материалов в разрядах низкого давления /ВТ Барченко, О И Гребнев // 60-я науч -техн конф , посвященная Дню Радио, г С -Петерб , 05-27 апр 2005г сб материалов - СПб СПбГЭТУ «ЛЭТИ», С 173-174

6 Гребнев, О И Процессы тепломассообмена нанодисперсной фракции в плазме низкого давления/ О И Гребнев // Актуальные аспекты

нанотехнологии 8-я науч молодежная школа по твердотельной электронике, г С -Петерб , Репино, 27-29 мая 2005 г сб материалов - СПб изд-во ФТИ им А Ф Иоффе РАН, 2005 - С 39

7 Барченко, В Т Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В Т Барченко, О И Гребнев// Известия СПбГЭТУ «ЛЭГИ», сер «Физика твердого тела и электроника», 2006 -№1 -С 17-23

8 Гребнев, О И , Моделирование процесса испарения в нанодисперсной фазе/ О И Гребнев // 61-я науч -техн конф , посвященная Дню Радио, г С -Петерб , 2-27 апр 2006 г сб материалов - СПб СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 -С 175-176

9 Барченко, В Т Моделирование процессов в плазме, содержащей нанодисперсную фракцию/ В Т Барченко, О И Гребнев, В А Кузнецов // Плазменная эмиссионная электроника Труды 11 междунар крейнделевского семинара - Улан-Удэ, 27-29июня 2006 г Изд-во БНЦ СО РАН, 2006 - С 5459

10 Барченко, В Т, Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В Т Барченко, О И Гребнев// Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств IV-я междунар науч -техн конфг Новополоцк, 25-26 мая 2006 г сб материалов, -Новополоцк Изд-во Полоцкий государственный университет, 2006 г - Т 2 -С 253-254

11 Барченко, В Т, Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В Т Барченко, О И Гребнев// Новые материалы и технологии НМТ-2006 Всерос науч -техн конф с междунар участием сб материалов, -г Москва, 21 -23 нояб 2006 г - М изд-во ФТИ им Иоффе РАН-Т 2 - С 51-52

12 Барченко, В Т. Режимы теплообмена макрочастицы в неравновесной плазме/ В Т Барченко, О И Гребнев// 5-я Всерос науч -техн конф с междунар участием, г Москва, 12-13 дек 2006 4 I сб материалов - М МАТИ - РГТУ им К Э Циолковского - С 389-395

13 Барченко, В Т Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В Т Барченко, О И Гребнев// Физика низкотемпературной плазмы-2007 Материалы Всерос конф, 24-28 июня 2007г • сб материалов - Петрозаводск изд-во ПетрГУ, 2007 г -Т 1-С 110114

Подписано в печать 09 10 07 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 119

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5

Введение.

Глава 1. Современные достижения в области методов и оборудования для нанесения покрытий при пониженных давлениях.

1.1. Анализ моделей, описывающих взаимодействия плазмы газового разряда с порошкообразными веществами.

1.2. Сравнительный анализ различных методов нанесения покрытий.

1.2.1. Методы химического осаждения покрытий (ХОП).

1.2.2 Получение тонких пленок распылением материалов ионной бомбардировкой (РИБ).

1.2.3 Метод генерации потока осаждаемого вещества термическим испарением (МТИ).

1.3 Постановка целей и задач работы.

Глава 2. Модель процессов в плазме низкого давления при внесении в нее мелкодисперсного материала.

2.1. Основные исходные посылки при моделировании поведения мелкодисперсной частицы в плазме низкого давления.

2.2. Основные уравнения модели в системе плазма низкого давления -мелкодисперсный материал.

2.3. Баланс токов в системе плазма низкого давления - мелкодисперсный материал; определение величины и знака скачка потенциала у поверхности частицы.

2.3.1. Основные составляющие баланса токов при внесении мелкодисперсного материала в плазму низкого давления.

2.3.2. Баланс токов в системе «плазма низкого давления нанодисперсный материал» в случае отрицательного падения потенциала у поверхности частицы.

2.3.3. Баланс токов в системе «плазма низкого давления -нанодисперсный материал» в случае положительного падения потенциала у поверхности частицы.

2.4. Баланс энергии в системе "плазма низкого давления мелкодисперсный материал".

2.4.1. Составляющие баланса мощности при внесении мелкдисперсного материала в плазму низкого давления при отрицательной разности потенциалов между плазмой и телом.

2.4.2. Составляющие баланса мощности при внесении нанодисперсного материала в плазму низкого давления при положительной разности потенциалов между плазмой и телом.

2.5. Результаты расчета баланса мощностей для Si02.

2.6 Выводы.

Глава 3. Динамика тепломассобмена и кинетики процессов нагрева, плавления и испарения нанодисперсного материала в плазме газового разряда низкого давления.

3.1. Нагрев нанодисперсной частицы до температуры плавления.

3.2. Плавление нанодисперсной частицы. Фазовый переход твердое тело

- жидкость.

3.3. Нагрев нанодисперсной частицы до температуры кипения.

3.4. Полное испарение расплава материала.

3.5. Оценка времени испарения мелкодисперсной частицы из SiC>2 в плазме низкого давления.

3.6. Выводы.

Глава 4. Моделирование процессов в плазменных эмиссионных системах на базе разрядов низкого давления.

4.1. Моделирование процессов в газоразрядной камере с накаленным катодом.

4.1.1. Процессы генерации ионов в газоразрядной камере с накаленным катодом.

4.1.2. Функция распределения электронов но энергиям в газоразрядной камере с накаленным катодом.

4.1.3. Сечения ионизации, усредненные по функции распределения электронов.

4.1.4. Процессы уничтожения ионов в плазме низкого давления.

4.1.5. Вывод уравнений баланса частиц в газоразрядной камере с накаленным катодом.

4.1.6. Результаты решения уравнения баланса в газоразрядной камере с накаленным катодом.

4.2. Моделирование процессов теплообмена частиц в прикатодной плазме вакуумной дуги.

4.3. Выводы.

Глава 5. Плазменная эмиссионная система дуоплазматронного типа для нанесения пленок из веществ в мелкодисперсной фазе.

5.1. Особенности разрядных процессов в дуоплазматроне «А» типа.

5.2 Исследование предельных режимов протекания тока в разряде с двойным контрагированием.

5.2.1. Расчет частот ионизации атомов электронным ударом.

5.2.2. Условия обрыва тока в разряде с двойным контрагированием.

5.2.3.Сравнение расчетных результатов с экспериментальными данными и их обсуждение.

5.3. Газоразрядная камера типа дуоплазматрон для нанесения покрытий из веществ в мелкодисперсной фазе.

5.4. Результаты тестирования полученных покрытий.

5.5. Выводы.

Актуальность темы. Традиционно наибольшее распространение электронно-ионнно- плазменные технологии имели при производстве изделий электроники, микро- и оптоэлектроники. Однако в последние годы сфера их применения значительно расширилась. Анализ современного состояния развития исследований и производства в области «критических» технологий и техники новых поколений позволяет сделать заключение о том, что одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений является физика и технология микро- и наносистем. Ввиду того, что в указанных системах в качестве характерных выступают размеры атомного уровня, при их изготовлении необходимо использовать «инструмент», обеспечивающий устойчивое воспроизведение размеров в нанометровом диапазоне. В качестве «инструмента» для указанных целей весьма эффективно использование потоков заряженных частиц и плазмы.

Нанесение покрытий из вещества в нанодисперсной фазе сегодня преимущественно осуществляется при помощи распылительных систем, использующих плазму высокого или среднего давления. Значительного повышения качества наносимых покрытий можно ожидать при понижении давления плазмообразующего газа. Однако методам нанесения покрытий из мелкодисперсного материала на базе разрядов низкого давления до последнего времени уделялось недостаточно внимания.

В известной нам литературе не удалось найти разработанных научных подходов и моделей плазменных эмиссионных систем на базе разряда низкого давления для нанесения пленок из мелкодисперсных материалов.

В настоящее время, в связи со значительным расширением фронта работ в области нанотехнологии и наноматериалов, теоретические и прикладные исследования в указанных областях начинают активно развиваться, что отражает объективные потребности современной науки, техники и производства. В связи с указанным выше, представляется целесообразным более детальное и глубокое изучение плазменных эмиссионных систем для нанесения различного рода покрытий из мелкодисперсных фракций на базе разрядов низкого давления.

В диссертации разработаны модели, которые адекватно описывают поведение материала в нанодисперсной фазе, вводимого в плазму низкого давления. На конкретных примерах показаны возможности разработанных подходов к расчету характеристик плазменных эмиссионных систем для нанесения покрытий различного функционального назначения. Выполнена оценка точности разработанных моделей путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными.

Изложенное выше, определяет актуальность исследований, представленных в настоящей работе, которая обусловлена стремлением получения новых знаний о физике процессов в многокомпонентной плазме низкого давления, а также потребностями науки, техники и производства в разработке и использовании более совершенного аналитического и технологического оборудования, обеспечивающего расширение областей использования новых процессов, базирующихся на применении потоков заряженных частиц и плазмы.

Целью работы является построение моделей описывающих процессы в плазме низкого давления при введении в нее мелкодисперсной фракции; получение новой научной информации о процессе взаимодействия микрочастицы с потоком плазмы низкого давления при произвольных функциях распределения электронов по скоростям, изучение влияния мелкодисперсной фракции на микроскопические характеристики плазменного образования.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Уточнение картины физических явлений, имеющих место при введении мелкодисперсной фракции в плазму низкого давления;

2. Рассмотрение составляющих потоков заряженных частиц в пограничном слое между поверхностью частицы микронных размеров и плазмой при низких давлениях;

3. Рассмотрение энергетических потоков, переносимых частицами из плазмы на поверхность микроскопической частицы и с ее поверхности в плазму;

4. Исследование динамики поведения частицы микронных размеров, вносимой в плазменное образование при низких давлениях;

5. Моделирование характеристик плазменных эмиссионных систем конкретных типов (дуоплазматрон, газоразрядная камера с накаленным катодом, поток плазмы в вакуумном дуговом испарителе);

6. Проверка адекватности разработанных моделей;

7. Экспериментальное исследование возможностей применения дуоплазматрона для нанесения покрытий из материалов в мелкодисперсной фазе.

Научная новизна и основные научные результаты работы:

1. Разработан подход, позволяющий с единых позиций описывать процессы, протекающие в плазме низкого давления, генерируемой в разрядах постоянного тока, при внесении в нее мелкодисперсных материалов как из металлов, полупроводников и диэлектриков, так и из композиционных материалов на их основе.

2. Построена модель, позволяющая рассчитать квазиравновесный потенциал, до которого заряжается частица микронных размеров, вносимая в плазму низкого давления.

3. Получены данные по влиянию вида функции распределения электронов по скоростям в плазме низкого давления на энергообмен между частицей микронных размеров и окружающей ее плазмой.

4. Уточнена картина физических процессов, происходящих в процессе теплообмена в системе плазма низкого давления - нанодисперсный материал.

5. Получена новая информация о поведении капельной фракции в металлической плазме вакуумного дугового разряда, кореллирующая с результатами других исследователей.

6 Установлено, что конечная энергия электронов в разряде дуоплазматронного типа в предобрывном состоянии определяется начальной концентрацией нейтралов в области сужения.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Разработанная модель, характеризующая процессы нагрева, плавления и испарения нанодисперсного материала в плазме низкого давления позволяет, по предложенным в работе алгоритмам, вести расчеты различных параметров плазменных генераторов при постановке конкретных задач.

2. Результаты исследований физико-химических превращений в системе «мелкодисперсный материал - плазма низкого давления», являются базовыми для дальнейшего совершенствования аналитических комплексов и технологического оборудования для ионно-вакуумной модификации поверхности твердого тела и реализуемых с его помощью современных наукоемких, экологически чистых и высокоэффективных технологий в различных областях науки, техники и производства.

3. Экспериментально апробированная конструкция дуоплазматрона, которая может быть использована в качестве базовой при разработке промышленных модулей для нанесения покрытий из мелкодисперсных материалов.

Достоверность полученной в работе информации определяется:

- удовлетворительным согласием теоретических оценок, результатов математического моделирования и экспериментальных данных;

- хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных по различным методикам;

- непротиворечивостью полученной в работе информации и выводов, сделанных на ее основе, с результатами других исследователей.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В квазистационарном режиме потенциал поверхности частицы, помещенной в плазму низкого давления, определяется как видом функции распределения электронов по скоростям, так и эмиссионными потоками зарядов с поверхности микрочастицы в плазму.

Повысить разность потенциалов локализуемую в слое пространственного заряда между плазмой и поверхностью микрочастицы можно облучая последнюю потоком высокоэнегетичных электронов, который может быть сформирован в области катодного падения напряжения разряда низкого давления или при диафрагмировании разрядного промежутка.

2. Изотермическое приближение для распределения температуры внутри нанодисперсной частицы, используемое в разработанной модели, позволяет адекватно описывать физико-химические процессы в системе «плазма низкого давления - нанодисперсный материал», и может быть использовано при расчете динамики теплообмена микрочастицы с плазмой при размерах последней не превышающих 150мкм.

3. Предельная энергия электронов в предобрывном состоянии при протекании тока в диафрагмированном промежутке дуоплазматрона определяется начальной концентрацией газа в области контрагирования.

4. Для формирования покрытий из металлов, полупроводниковых материалов и диэлектриков эффективно применение дуоплазмотронного генератора плазмы с введением мелкодисперсной фракции в область между сжимающим электродом и анодом. Существенное повышение качества наносимых покрытий достигается вследствие пространственного разделения области испарения мелкодисперсного материала и области конденсации покрытия.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:

3-я, 4-я и 5-я Всероссийские научно-технические конференции с международным «Быстрозакаленные материалы и покрытия», 2004-2006 г., Москва, «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского»

Ежегодный научно-технический семинар «Вакуумная техника и технология», СПб, 2004-2007 г.г.

8-я и 9-я научная молодежные школы по твердотельной электронике "Актуальные аспекты нанотехнологии", май 2005, Санкт-Петербург, Репино;

11-й Международный крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника» - Улан-Удэ, 2006 г.

IV Международная НТК «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», май 2006 г., Новополоцк, Беларусь.

Всероссийская н.-т. Конференция с международным участием «Новые материалы и технологии» НМТ - ноябрь 2006, Москва.

58-62 НТК Профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003-2007 г.г., Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

8-я Международная конференция «Пленки и покрытия - 2007», Санкт-Петербург, 22-24 мая 2007 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 2-х приложений.

5.5. Выводы.

Результаты, полученные и ходе расчетов по модели, учитывающей условия протекания токов, близких к критическим в дуоплазматроне, а также данные экспериментальных исследований позволяют сделать следуютцие выводы:

1. Величина средней энергии электронов в плазме разряда низкого давления, контрагированного при помощи электрода с сужением зависит от давления газа в разрядном промежутке и увеличивается с ростом тока разряда.

2. Максимальная величина энергии электронов достигается в предобрывных режимах разряда.

3. С ростом давления, максимальная энергия электронов, которая может быть достигнута в контрагированном разряде, падает.

4. Максимально достижимая энергия электронов в разряде определяется возникновением неустойчивости в прианодной плазме. Момент развития неустойчивости с увеличением давления смещается в область меньших энергий электронов.

5. Произведенное моделирование позволяет определить условия обрыва тока в разряде с двойным контрагированием.

6. Проведен анализ состава полученных пленок. Показано, что ФХС пленок близок к составу исходного материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Построена самосогласованная микроскопическая модель для описания физико-химических превращений, тепломассообмена и кинетики процессов нагрева, плавления и испарения в системе «плазма низкого давления - нанодисперсная частица», позволяющая:

- качественно и количественно описывать тепломассообмен в указанной системе при учете величины и знака скачка потенциала у поверхности частицы, интенсивности эмиссионных явлений, процессов ионного распыления;

- рассчитывать время испарения мелкодисперсных частиц, а также изменение массы и линейных размеров частицы с ростом температуры ее поверхности и с учетом фазовых превращений и эмиссионных процессов.

2. Разработанная модель позволила рассчитать зарядовый состав ионной компоненты плазмы в газоразрядной камере с накаленным катодом при больших плотностях тока.

3. С помощью разработанной модели были получены данные по поведению капельной фракции в металлической плазме вакуумного дугового разряда с интегрально холодным катодом.

4. Исследованы предельные режимы протекания тока в разряде с двойным контрагированием. Получены расчетные соотношения, устанавливающие связь между параметрами разрядного промежутка и величинами плотности тока и энергии электронов в плазме положительного столба и позволяющие определять максимально достижимые в разряде низкого давления плотности тока и энергии электронов.

5. Выполненные эксперименты по нанесению пленок из мелкодисперсных материалов в плазменной эмиссионной системе типа дуоплазматрон показали адекватность разработанных моделей и перспективность использования дуоплазматрона на постоянном токе для нанесения пленок из резистивных сплавов и диэлектриков.

Я глубоко признателен Барченко В.Т., Смирнову Е.А., Черниговскому В.В., за содействие и помощь в выполнении данной работы и многочисленные дискуссии.

Я глубоко признателен заведующему каф. ЭПУ д.т.н., профессору Быстрову Ю.А. за внимание и интерес к работе.

1. Борисенко, А.И., Защитные покрытия/ А.И. Борисенко// Тула: Наука, 1979, -272 с.

2. Рыкалин Н.Н., Нагрев порошка в стабилизированной магнитным полем струе// Рыкалин Н.Н., Николаев А.В., Кудинов В.В. Автоматическая сварка.-1968, -№8.-С. 75-79.

3. Физика и техника низкотемпературной плазмы// Под общей ред. Дресвина С.В.-М.:Атомиздат, 1972,-352 с.

4. Крейндель, Ю.Е., Плазменные источники электронов, -М.:Атомиздат, 1977.-145 с.

5. Николаев, А.В., Исследование нагрева твердых частиц в плазмотроне, со встречными струями// Физ.и хим.обраб.матер.-1968,- №3.-С. 33-36.

6. Панфилов, С.А., К расчету нагрева конденсированных частиц в плазменной дуге/ Панфилов С.А., Цветков Ю.В.// Теплофизика высоких температур.-1967.-№2.-С. 294-302.

7. Лохов, Ю.Н. Нагрев и испарение частиц в струе низкотемпературной плазмы/ Ю.Н. Лохов, В.А.Петруничев, А.А.Углов и др.// Физ. и хим.обраб.матер. -1974.-№6.-С. 52-55.

8. Николаев, А.В., Энергетические характеристики плазмотрона с. магнитной стабилизацией дуги/ Николаев А.В., Кулагин И.Д.// Изв. СО АН СССР, сер. технических наук.-1966.-Т.Ю, вып.З.-С. 27-37.

9. Дресвин, С.В., Движение и нагрев частиц Si02 в струе воздушной плазмы индукционного плазмотрона/ С.В. Дресвин, Г.АДорфман, В.В.Шахов, и др.// Физ.и хим.обраб.матер.-1979.-№2.-С. 75-82

10. Полак, А.С., Исследование взаимодействия частиц порошка с. потоком плазмы в сопле/ Полак А.С., Суров Н.С. //Физ. и хим. обраб.матер.-1969,№2,-С. 19-29.

11. Кузьмичев, А.И. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу "Технология электронных приборов"./ Кузьмичев А.И., Барченко В.Т// -Киев: КПИ, 1984.-С. 63.

12. Векслер, В.И., О взаимодействии медленных положительных ионов рубидия и цезия с поверхностью молибдена/ ЖЭТФ.-1962.-Т.42.-С. 325-329.

13. Векслер, В.И., О непарных соударениях при взаимодействии медленныхположительных ионов с поверхностно металла/ ЖЭТФ.-1963.-Т.44,-С. 14-16.

14. Антонов, З.А., Технология производства электровакуумных и полупроводниковых приборов//-М.:Высшая школа, 1979.-368 с.

15. Шехмейстер, Е.Й., Общая технология электровакуумного производства/-М.:Высшая. школа, 1979.- 295 с.

16. Федоров Л.П. и др. Производство полупроводниковых приборов/ Л.П.Федоров, В.М.Багров, Ю.Н.Тихонов//-М.:Энергия, 1979.-432 с.

17. Золотарев, М.М., Металлизатор вакуумщик.-М.:Высш.школа.-1978.239 с.

18. Шиллер 3. и др. Электронно-лучевая технология/З.Шиллер, У. Гайзиг, 3. Панцер//-М.:Энергия, 1980.-528 с.

19. Днепровский, В.Г., Получение тонкопленочных слоев в вакууме с помощью излучения оптических квантовых генераторов/ Днепровский В.Г., Банков В.Н.//Зарубежная радиоэлектроника.-1978.-№9.-С. 133-142.

20. Коновалов, А. И., Технология и оборудование для ионно-лучевой обработки материалов/ Коновалов А. И., Орлов В.И// Обзоры по электронной технике.-1982.-Сер.7-Вып. 10(880).-С. 40-63.

21. Плазменные методы обработки материалов/ Под ред.А.Е. Вайнермана, Д.Г. Быховского//-Л.: ДДНТП, 1977.-115 с.

22. Стельмах, Г.П., Об особенностях теплообмена в канале секционного газового электродугового подогрева теля/ Стельмах Г.П., Чесноков Н.А., Сахаев А.С.// Инж.-физ. журнал.-1966.-№4.-С. 508-600.

23. Николаев, А.В., Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов.-М.:Наука, 1973.-243 с.

24. Ворончев, Т.А., Физические основы электровакуумной техники/ Ворончев Т.А., Соболев В.Д//-М.:Высшая школа, 1967.-351 с.

25. Демянцевич, В.П., Исследование движения частиц порошка при плазменном нанесении покрытий/ Демянцевич В.П., Клубникин B.C., Низовский А.А.//Физ.и хим.обраб.матер.-1973.-№2.-С. 102-105.

26. Поляков С.П. О нагреве и движении частиц порошка в плазменных струях/ Поляков С.П., Рязанцев О.В., Твердохлебов В.И.//Физ. и хим. обраб. матер.-1975.-№3.-С.43-46.

27. Дороднов A.M., О физических принципах и типах плазменных устройств/Дородное A.M., Петросов. В.А.//ЖТФ-1981.-Т.51.-№3.-С. 504-524.

28. Чистяков, Ю.Д., Физико-химические основы технологии микроэлектроники./ Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. // М.:Металлургия, 1979.-С. 408.

29. Малышева, И.А. Технология производства микроэлектронных устройств// М.:Энергия,1980.-С. 448.

30. Минайчев, В.Е., Магнетронные распылительные устройства/ В.Е. Минайчев, В.В. Одиноков, Г.П. Тюфаева// Обзоры по электронной технике.-1979.-Сер.7.-Вып.8(659).-С. 56-57.

31. Денисов, А.Г., Молекулярно-лучевая эпитаксия (приборная реализация)/ А.Г. Денисов, Ю.Г. Садофьев, А.П. Сеничкин// Обзоры по электронной технике.-1981.-Сер .7.-Вып. 16(827). -С .84-90.

32. Кулагин, И.Д., Обработка материалов дуговой плазменной струей/ И.Д. Кулагин, А.В., Николаев // М.:Изд. ИМЕТ, I960.-C. 33.

33. Кулагин, И.Д., .Кудинов В.В. Нагрев плазменной дугой прямого действия/ И.Д. Кулагин, В.В. Кудинов//Электротермия.-1964.-Т32, С. 36-39.

34. Углов, А.А., Теплофизика плазменной обработки мелкодисперсных частиц/Углов А.А., Иванов Е.М.//Физ. и хим. обраб. матер.-1985.-№2.-С. 13-17.

35. Вендик, О.Г., Технология вакуумного дугового осаждения ТП/ О.Г. Вендик, В.Ф. Попов, Н.В. Зеленская// -Л.:ЛДНТП.-1982.-118 с.

36. Зыричев, Н.А., Нагрев и испарение мелкодисперсных частиц тугоплавких материалов в плазменном потоке/ Н.А. Зыричев, Г.Ф. Галковская// Физ. и хим. обраб. матер. -1982. -№1,-С. 58-63.

37. Лабунов, В.А., Ионно-лучевые источники для обработки поверхности твердых тел и получение тонких пленок/ В.А. Лабунов, Г. Рейссе //Зарубежная электронная техника.-1982.-№1(247).-С. 3-42.

38. Белявский, В.П., Перспективы применения ионного осаждения в микроэлектронике/ В.П. Белявский, И.В. Гусев/Юптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1982.-№2.-С. 51-58.

39. Бреховский, В.Ф., М.Х. Расчет теплового потока на поверхности пленок при термическом и электронно-лучевом плазменном испарении/ В.Ф. Бреховский, М.Н. Никитин, М.Х. Шоршоров// Физ.и хим.обраб.матер.-1974.-.№6.-С. 3-16.

40. Гуревич, Г.М., Плазменный источник для бомбардировки твердых тел положительными и отрицательными ионами/ Г.М. Гуревич, Ю.А. Данилюк, А.П. Коварский// Приборы и техника эксперимента.-1978.-№4.-С. 181-183.

41. Черняк Е.Я. Осаждение тонких пленок из низкоэнергетических ионных пучков:Обзор//Обзоры по электронной технике.-1979.-Сер.7,-Вып.14(676).-55 с.

42. Бабаев, В.Г., Адсорбция паров металла в присутствии ионного облучения/ В.Г. Бабаев, М.Б. Гусева// Изв. АН СССР.-Сер.физическая.-1973.-Т.37, №12.-С. 2596-2602.

43. Костиков, В.И., Плазменные покрытия/ В.И. Костиков, Ю.А. Шестерин//-М.:Металлургия, 1978. -316 с.

44. Данилин, Б.С., Получение тонкопленочных слоев с помощью магне-тронной системы ионного распыления// Зарубежная радиоэлектроника.-1978. -№4. -С. 87-105.

45. Химия. Справочное руководство/ Пер. с нем. Гаврюченкова Ф.Г.-Л.-.Химия, 1975.Т-С. 20-53.

46. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиям.-Москва: Машмностроение, 1993. 201 с.

47. Житомирский, В.И., Вакуумно-дуговое осаждение металлокерамических покрытий на полимерную подложку/ В.И. Житомирский, И. Гримбегр, М.К. Жозэф и др.// Поверхность и технология нанесения покрытий. -1998. -№ 108-109. С. 160165.

48. Никитин, М.М. Технология и оборудование вакуумного напыления. -Москва: Металлургия, 1992. 187 с.

49. Гнесин, Г.Г., Износостойкие покрытия на инструментальных материалах (обзор)/ Г.Г. Гнесин, С.Н. Фоменко// Порошковая металлургия. 1996. - № 9-10 - С. 17-26.

50. Белый, А.В., Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев/ А.В. Белый, Г.Д. Карпенко, Н.К. Мышкин// Москва: Машиностроение, 1991.-211 с.

51. Лясников, В.Н., Плазменное напыление порошковых материалов на детали электронных приборов/ В.Н. Лясников, Г,Ф. Богатырев// Обзоры поэлектронной технике-Сер.:Технология, организация производства и оборудование. -1978.-Вып .4(528). -С .7-9.

52. Углов, А.А., Теплофизика плазменной обработки мелкодисперсных частиц/А.А. Углов, Е.М. Иванов// Физ. и хим. обраб. матер. -1985. -№2. -С. 13-21.

53. Получение покрытий высокотемпературным напылением/Под ред. JT.K. Дружинина и В.В. Кудинова//-М.:Атомиздат,1973.-312 с.

54. Брусиловский Б.А. Кинетическая ионно-электронная эмиссия. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 184 с.

55. Мартыненко Ю.В. К теории распыления монокристаллов// Физика твердого тела. 1964. - Т.- 6. - С. 2003-2009.

56. Borisov, A.M., The sweeping-out-electrons effect in electron emission under molecular ion bombardment/ A.M. Borisov, E.S. Mashkova, E.S. Parilis// VACUUM -2002.-V. 66.-P. 145-148.

57. Распыление под действием бомбардировки частицами: Проблемы прикладной физики, Вып.З/ Под ред. Р. Бериша. и К.Виттмака//- М.: Мир, 1998. -552 с.

58. Машкова, Е.С., Пространственные распределения частиц, распыленных под действием ионной бомбардировки. II. Компьютерное моделирование и экспериментальные результаты/ Е.С. Машкова, В.А. Молчанов// Поверхность. 1997. - № 12.-С. 91-108.

59. Эльтеков, В.А., Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Компьютерное моделирование. М.: Изд-во МГУ, 1993.- 192 с.

60. Hasselkamp D., Secondary emission of electrons by ion impact on surfaces. // Comments At. Mol. Phys. 1988. - V. 21, № 5. - P. 241-255.

61. Карпман, В.И., Лундин Б.В., Физика плазмы. М.: Мир 1975. -Т. 5,С.486.

62. Файнберг, Я.Б., Физика плазмы. М.: Мир 1987- Т. 13. -С. 607.

63. Брагинский, С.И., Вопросы теории плазмы/ под ред. Леонтовича М.А.// М.: Атомиздат, 1963.- С. 183.

64. Химический состав и механизм формирования пленок кермета системы дисилицид хрома стекло/М.М. Косякика, А.В. Елисеев, К.К. Муравьева и др.//ЖПХ.-1985.-№10.-С. 2203-2204.

65. Данилин, Б. С., Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. -М.: Энергоатомиздат, 1989.- 201 с.

66. Петвиашвили, В.И., Вопросы теории плазмы/ В.И. Петвиашвили, В.В. Яньков//. 1985, вып. 14, С. 3-12.

67. Turikov, V.A., Plasma Physics Reports/ V.A. Turikov, I.V. Ulianitski// 1999, V. 25, N 11, P. 855.

68. Павлов, П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1985.-384 с.

69. Гусева, М.И., Взаимодействие частиц плазмы с поверхностью/ М.И. Гусева, Ю.В. Мартыненко// Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. Т. 11. М.: ВИНИТИ, 1989.-С. 150-190.

70. Горев, В.В., Физика плазмы/ В.В. Горев, Г.И. Долгачев, Л.П. Закатов и др.// 1985.-Т. 11,782 с.

71. Левитский, С. М., Сборник задач и расчетов по физической электронике. -Киев.: Издательство Киевского Университета., 1964. 210с.

72. Туриков, В.А., Физика плазмы/ В.А. Туриков, И.В. Ульяницкий // 1999. -Т. 25, 929 с.

73. Низкотемпературная плазма/ Под ред.А.В. Нейндлина//-М,:Мир,1967.631 с.

74. Орешко А.Г., Физика плазмы. М.: Мир, 1991. - 679 с.

75. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Физ. распыление одноэлементных твердых тел. Вып.2/ Под ред. Р. Бериша// 1986. 484 с.

76. Игнатов A.M., Физика плазмы, 1998. Т. 24, 8, С. 731.

77. Сахаров А.С., Кирсанов В.И. Физика плазмы, 1995. Т. 21, С. 632.

78. Мог fill G.E., Phys. Plasmas/ Н.М. Thomas, U. Konopka, M. Zuzic // 1999. -5,1, C-68.

79. Э. Оран, Дж. Борис, Численное моделирование реагирующих потоков. М.: Мир, 1990.- С. 315-321.

80. Melzer A., Homan A., Piel A., Phys.Rev. 1996, V53, Р. 3137.

81. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы- М.: Мир, 1978.- 357 с.

82. Granatstein, V.L., IEEE Trans. On Plasma Science. 1996, V.24, N3, P.648.

83. Юшков, В.И., О связи необходимой тепловой мощности плазменной струи с теплофизическими характеристиками напыляемого материала/ В.И. Юшков, Ю.С. Борисов, //Физ. и хим. обраб. матер.-1975.-№4,-С. 20-25.

84. Биберман, J1.JT., Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982.- 227 с.

85. Nusinovich G.S., IEEE Trans. On Plasma Science. 1996. V.24. N 3. P. 586.

86. Дубинов A.E., Селемир Д.В., Письма в ЖТФ, 1999, Т.- 25, вып. 15, С. 84.

87. Hasselkamp D., Secondary emission of electrons by ion impact on surfaces. // Comments At. Mol. Phys. 1988. - V. 21, № 5. - P. 241-255.

88. Shulga V.I. Computer simulation of single-crystal and polycrystal sputtering II // Radiat. Effects. 1984.-v. 82.-p. 169-187.

89. Бурмасов B.C., Вячеславов JI.H., Кандауров И.В., Кругляков Э.П., Мешков О.И., Санин А.Л. Физика плазмы, 1997, Т. 23, С. 142-145.

90. Колгатнин, С.Н., ЖТФ, Т.-65, В.7, С. 1 -18.

91. Козлов, О.В., Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969.- 292с.

92. Хаддистоун Р., Леонард С., Диагностика плазмы. М.: Мир, 1967, 516 с.

93. Физика и технология источников ионов./ Под ред. Я. Брауна// М.: Мир, 1998-496 с.

94. Тихонов, А.И., Уравнения математической физики М.: Наука, 1972, 736с.

95. Саблев Л.П., Долотов Ю.Л., Электродуговой испаритель металлов с магнитным удержателем катодного пятна// Приборы и техника эксперимента .-1978. -№4 .-С. 30-35.

96. Гаврилов, Н.В., Переход дугового разряда низкого давления из контрагированного в каскадный режим горения/ Н.В. Гаврилов, Ю.Е. Крейндель, Е.М. Оке//ЖТФ. -Т. 53. -С. 1947-1951.

97. Мощные генераторы низкотемпературной плазмы и методы исследования их параметров/Под ред.Ф.Г.Рутберга.-.Л.:ВНИИ электромаш, 1977. -127 с.

98. Gordeev A.V., Kingsep A.S., and Rudakov L.I., Phys. Reports, 1994,- V. 243,1. P. 215.

99. Козырев A.B., О тепломассообмене мелкодисперсных материалов/письма в ЖТФ, 2007.- С. 53-87.

100. Дородное, A.M., Некоторые применения плазменных ускорителей в технологии/УФизика и применение плазменных ускорителей: Сб. научн. трудов /Наука и техника.-М. 1974.-С. 330-365.

101. Дородное, A.M., Плазменные ускорители/ A.M. Дородное, Н.П. Козлов // М,:МВТУ им. Баумана, 1975.-108 с.

102. Даутов Г.Ю., Дзюба В.Л., Мазурайтис Н.С., Плазмотрон промышленного типа//Физ. и хим. обраб. матер.-1971 .-№6.-С. 45-49.

103. Технология и оборудование/Юбзоры по электронной технике.-Сер.: Технология, организация производства и оборудование.-1981.-Вып. 18 (833).-С. 7-12.

104. Варгафтик, Н.Б., Справочник по теплофизнческим свойствам газов и жидкостей.-М.:Наука, .1972.-С. 20-50.

105. Барченко В.Т., Колгин Е.А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве /Под ред. Быстрова Ю.А. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2001. 332 с.

106. Денисов А.Г., Черняк Е.Я., Козлов А.А., Ионно-плазменные источники в технологии микроэлектронных приборов. Обзоры по электронной технике. Сер. 7, 1982, №14, 65 с.

107. Барченко В.Т. Исследование физических явлений и некоторые вопросы разработки плазменных источников электронов. Автореф. дис. канд. техн. наук. Л.: 1978, 17 с.

108. Бредихин М.Ю., Зеленский В.Ф., и др. Источник многозарядных ионов. -Приборы и техника эксперимента, 1981, №6, С. 147-149.

109. Каштанов, П.В. Магнетронная плазма и нанотехнология/ П.В. Каштанов, Смирнов Б.М., Хипплер// Успехи физических наук. Обзоры актуальных проблем. Т. 177, №5, УФН, М., 2007, С. 473 501

110. Крестова, Н.А., Полякова О. И., К вопросу об устойчивости токопрохождения через диафрагмированные промежутки в водородном разряде низкого давления. Электронная техника. Сер. 3. Газоразрядные приборы, 1980, в. 2, С. 22-26.

111. Лесков, Л.В., Теория электромагнитных ускорителей плазмы, М.: Изд. МВТУ, 1973 .-С. 30-35.

112. Комар, Е.Г., Основы ускорительной техники. М.: Атомиздат, 1975, 367с.

113. Бредихин, М.Ю., Ускорительный комплекс тяжелых ионов. Вопросы атомной науки и техники/ М.Ю. Бредихин, В.Ф. Зеленский, и др.//Сер. Общая и ядерная физика, Харьков: ХФТИ АН УССР, 1980, вып. 2(12), С. 65-69.

114. Зеленский В.Ф., Хоренко В. К., Рубашков В.Г. и др. Инжектор ионов металлов для электростатического ускорителя. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Общая и ядерная физика. Харьков: ХФТИ АН УССР, 1980, вып. 2(12), с. 42-47.

115. Быстрое, Ю.А., Ускорительная техника и рентгеновские приборы/ Ю.А. Быстрое, С.А.Иванов//-М.: Высшая школа, 1983.- 328 с.

116. Плазменные ускорители/ Под ред.Л.А.Арцимовича/ЛМ.Машинострое-ние, 1973.-С. 120-125.

117. Тимофеева, Г.Г., Особенности прохождения большого тока через сужение газоразрядного прибора низкого давления// Электронная техника. 1970.-Сер.З, Вып.3(19).-С. 41-46.

118. Основы расчета плазмотронов линейной схемы/ Под ред.М.Ф.Жукова. -НовосибирскРАН СССР .Сиб.отделение Ин-т теплофизики,1979.-148 с.

119. Барченко, В.Т., О влиянии магнитного поля на эффект усиления плазменного тока/ В.Т. Барченко, А.В. Задера, А.Ю. Соколовский// В межвуз. сб. науч. тр.: Вакуумная и газоразрядная электроника. Рязань: РРТИ, 1984, С. 33-36

120. Герасимов, Е.И., Источники многозарядных ионов/ Е.И. Герасимов, В.П. Голубев, С.А. Никифоров//- М., НИИЭФА, обзор ОД-28, 1979.- 211 с.

121. Чайковский, Э.Ф., Дуоплазматрон для получения ионов углерода/ Э.Ф. Чайковский, В.М. Пузиков, А.В. Семенов //- ПТЭ, 1981, № 2, С. 163-166.

122. Габович, М.Д., Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972.- 304 с.

123. Лабунов В.А., Рейсе Г. Ионно-лучевые источники для обработки поверхности твердых тел и получения тонких пленок/ В.А. Лабунов, Г. Рейсе//-Зарубежная электронная техника, 1982, № 1, С. 73-112.