Применение ЭВМ при моделировании процессов термического напыления в вакууме (90

Лабораторная работа 2

Определение толщины напыляемых пленок в зависимости от различных параметров

Цель работы: используя приведенные формулы, научиться моделировать и рассчитывать толщину напыления в зависимости от материала, источника испарения и геометрии расположения испарителя и напыляемой поверхности.

Порядок выполнения работы: работа состоит из трех частей, которые могут выполняться как отдельно, так и совместно.

1.В редакторе Word подготовить документ для оформления отчета: название работы, исполнители работы, постановка задачи.

2.Выбрать кольцевой или точечный источник распыления, и соответствующую ему формулу для моделирования процесса распыления.

Часть 1:

- по приложению подобрать три вида материала испаряемого вещества, записать их молекулярную массу (М) и плотность (ρ);

-произвести расчеты по соответствующей формуле для трех веществ, варьируя величиной h, расстояние l от центра подложки до исследуемой точки считать величиной постоянной (значение взять у преподавателя);

-по результатам расчетов построить график зависимости толщины напыления d от расстояния между испарителем и подложкой h для различных материалов, т.е. d=f(h,M).

Часть 2:

- по приложению подобрать три вида материала испаряемого вещества, записать их молекулярную массу (М) и плотность (ρ);

32

-произвести расчеты по соответствующей формуле для трех веществ, варьируя величиной l, расстояние h между испарителем и подложкой считать величиной постоянной (значение взять у преподавателя);

-по результатам расчетов построить график зависимости толщины напыления d от расстояния от центра подложки до исследуемой точки l для различных материалов, т.е. d=f(l,M).

Часть 3:

-по приложению выбрать материал испаряемого вещества, записать его молекулярную массу (М) и плотность (ρ);

-произвести расчеты по соответствующей формуле для исследуемого вещества варьируя величинами h и l;

-по результатам расчетов построить график зависимости толщины напыления d от l расстояния от центра подложки до исследуемой точки при различных расстояниях между испарителем и подложкой h для исследуемого материала, т.е.

d=f(l,h).

3.Перенести таблицы и графики в Word.

4.Оформить работу, сделать выводы.

Выполнять задание можно в Excel, Mathematicа или

MathCAD, по выбору.

Пример оформления расчетной и графической части выполненного задания в Excel:

Часть 1

33

d=f(L, h)

Контрольные вопросы

1.Какие конструкции в вакуумных установках напыления можно представить в виде точечных источников?

2.С какой целью предварительно рассчитывается и моделируется толщина напыления?

35

3.Как зависит толщина покрытия от вида напыляемого материала?

4.В каких установках используется кольцевой источник для распыления вещества?

5.Как можно смоделировать толщину напыления от трех точечных источников?

36

ТЕМА 3 ТЕРМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ НА ОСНОВЕ

РАЗРЯДНОГО ИСПАРИТЕЛЯ

В основу разрядного устройства была положена конструкция электронно-лучевой пушки с кольцевым термоэлектронным катодом – наличие электрического ускоряющего поля в зоне испарения и небольшое давление пара для возбуждения разряда (рис.3.1).

Рис. 3.1. Схема установки вакуумного напыления с применением разрядного испарителя анодной формы:

37

Под действием электрического поля ускоренный поток электронов бомбардирует поверхность исходного напыляемого металла, находящегося под потенциалом анода, обеспечивая его нагрев и испарение. Давление паров в межэлектродном пространстве растет с увеличением мощности. Одновременно, в результате столкновений с электронами, происходит возбуждение и ионизация испаренных атомов. При некоторой скорости испарения, значение которой определяется природой напыляемого материала и конструктивными параметрами устройства, между катодом и анодом возбуждается разряд. Возникновение разряда сопровождается ярким свечением вытекающего потока пара с характерным цветом для каждого испаряемого металла. Разряд является несамостоятельным, так как термоэлектронная эмиссия катода достигается за счет его накала от дополнительного источника. Регулируемый ток термоэлектронов значительно облегчает управление процессом испарения. Устойчивость разряда и его параметры зависят как от физических условий горения, так и от характеристики источника питания.

При испарении металлов используют высоковольтный (напряжение 200÷700 В, ток от 1 до 10А) и низковольтный (напряжение 30÷70 В, ток до 100А) разряды. Степень ионизации осажденных атомов, в зависимости от режима разряда, в первом случае изменяется в интервале от 2 до 30%, во втором – приближается к 100%. Возбуждение низковольтного дугового разряда обеспечивается напуском аргона в пространство между электродами и начальным возникновением разряда в среде газа. По мере нагрева и испарения напыляемого материала натекание аргона постепенно перекрывается, и разряд горит только в парах металла. Вакуум при напылении с помощью разрядного испарителя анодной формы должен быть не более

10-3 Па.

38

Испарение металлов с помощью данного разряда обусловливает значительное повышение энергии осажденных атомов и таким образом позволяет активно влиять на процессы зарождения и роста покрытий. Поток пара, ускоренный в электрическом поле подложки, не только очищает ее поверхность, удаляя адсорбированные слои газа, но и изменяет кристаллографическую структуру приповерхностного слоя, производя его распыление.

39

Лабораторная работа 3

Определение эффективного сечения процессов возбуждения и ионизации атомов

Цель работы: используя приведенные формулы, рассчитать для нескольких металлов эффективное сечение процессов возбуждения и ионизации атомов, происходящих в вакууме.

При изучении процессов столкновения атомных частиц иногда удобно пользоваться не средней длиной свободного пробега λ, а обратной величиной 1/λ, которая является мерой вероятности элементарного акта и называется полным эффективным сечением Q. Для упругих соударений между одинаковыми частицами:

и представляет собой общую площадь (сечение) всех частиц, которые содержатся в единице объема данного газа.

На практике часто пользуются эффективным сечением q,

Полное эффективное сечение Q принято относить к условиям, когда р = 1мм рт. ст., t= 0 0C.

Если электрон имеет достаточную энергию и движется в атмосфере какого-либо газа, то при соударениях часть молекул может быть ионизирована или переведена в возбужденное состояние. Эти процессы тоже описываются эффективными сечениями возбуждения qв и ионизации qi, которые по своей величине меньше эффективного поперечника для упругих соударений, потому что не все столкновения будут вызывать

40