4. Тепловые процессы при катодном распылении

4.1. Расчёт температурного режима катода-мишени

Основной элемент распылительного устройства - мишень, которая непо­средственно является катодом или крепится на поверхности катода. Учитывая существенную тепловую нагрузку на мишень в процессе ее распыления, в конструкции ионно-плазменных устройств предусматривается прямое или кос­венное охлаждение мишени. Основным недостатком косвенных методов охла­ждения является ограничение мощности, вводимой в мишень. Таким образом, тепло, выделяемое при бомбардировке, может отводиться за счет излучения, процесса теплопроводности и теплоотдачи при контакте охлаждающей жидко­сти с поверхностью мишени. Процессы передачи тепла будем считать устано­вившимися (стационарными).

В этом случае разность температур между поверхностями мишени Т_в-Т_н=const. В этом случае можно воспользоваться законом Фурье для стацио­нарной теплопроводности

Q = AtT/H, (4.1)

где Q - передаваемое количество теплоты; А - площадь основания мишени; T - разность температур между поверхностями мишени; H - толщина мишени;  - коэффициент теплопроводности материала мишени; t - продолжительность процесса распыления. Формулу (4.1) можно переписать в другом виде:

w = T/H , (4.2)

где w - плотность мощности, прикладываемой к мишени (w=Q/(At).

При контакте охлаждающей жидкости с поверхностью мишени происходит передача тепла от мишени жидкости. Для этого случая можно записать

Q =  AtТ, (4.3)где Q - передаваемое количество теплоты;  - коэффициент теплоотдачи (для текущей воды  = 350+2100Вт/(м^2K), v - скорость течения воды); А - пло­щадь основания мишени; T - разность температур мишени и подводимой воды (можно считать, что температура подводимой воды 20 ^оС, а охлаждаемого основания мишени - 100 ^оС); t - продолжительность процесса распыления. Формулу (4.3) также запишем в преобразованном виде:

w = T. (4.4)

При тепловом излучении тепловая энергия от наиболее нагретой поверхно­сти мишени передается окружающей среде. В этом случае, исходя из закона Стефана-Больцмана можно записать

w = (T_в⁴-T_с⁴), (4.5)

где  = 5,6710^-8Вт/(м^2К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана;  - излучательная способность материала мишени; Т_с - температура окружающей среды (Т_с = 300 К).