Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках
Исследовано относительное содержание капельной фазы на поверхности конденсируемых титановых пленок при вакуумно-дуговом испарении титана в непрерывном (до 30 с) и импульсном режимах горения дуги с различной скважностью. Показано, что концентрация крупных капель снижается с уменьшением времени горени...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2002 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2002
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79516 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках / В.А. Белоус, В.М. Лунев, В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 172-174. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859706225857396736 |
|---|---|
| author | Белоус, В.А. Лунев, В.М. Павлов, В.С. |
| author_facet | Белоус, В.А. Лунев, В.М. Павлов, В.С. |
| citation_txt | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках / В.А. Белоус, В.М. Лунев, В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 172-174. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Исследовано относительное содержание капельной фазы на поверхности конденсируемых титановых пленок при вакуумно-дуговом испарении титана в непрерывном (до 30 с) и импульсном режимах горения дуги с различной скважностью. Показано, что концентрация крупных капель снижается с уменьшением времени горения дуги. Сделано предположение, что крупные капли образуются при столкновении более мелких в области катодного пятна. Мелкие капли формируются в разрядных ячейках, которые в совокупности и образуют катодное пятно.
Вивчено відносний склад крапельної фази на поверхні титанових плівок, що формуються при вакуумно-дуговому випарюванні титану в стаціонарному (до 30 с) та імпульсному режимах горіння дуги з різною скважністю. Показано, що концентрація великих краплин знижується із зменшенням часу горіння дуги. Зроблено допущення, що великі краплі створюються при зіткненні менших краплин в області катодної плями. Малі краплі формуються в розрядних ячейках, які створюють катодну пляму.
The relation contence of the drop phase at the surface of titanium films condensed by evaporation of titanium in continuous (about 30 seconds) and pulsed mades of an arc at different pulse and pause time hasabeen investigated. It is shown, that the concentration of large drops decreases with decreasing the arc burning time. The conjecture is made, that the large drops formation is a result of collision of small drops in the vicinity of a cathode spot. The small drops are emitted by discharge cells which form the cathode spot.
|
| first_indexed | 2025-12-01T03:20:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 537.523.5
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОЙ РАБОТЫ ВАКУУМНО-
ДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ КАПЕЛЬ
В ФОРМИРУЕМЫХ ПЛЕНКАХ
В.А.Белоус, В.М.Лунев, В.С.Павлов
Националльный научный центр "Харьковский физико-технический институт",
Украина, 61108, г.Харьков, ул.Академическая, 1,
E-mail: belous@kipt.kharkov.ua, факс/тел.: (0572) 35-07-55
Вивчено відносний склад крапельної фази на поверхні титанових плівок, що формуються при вакуумно-
дуговому випарюванні титану в стаціонарному (до 30 с) та імпульсному режимах горіння дуги з різною
скважністю. Показано, що концентрація великих краплин знижується із зменшенням часу горіння дуги.
Зроблено допущення, що великі краплі створюються при зіткненні менших краплин в області катодної
плями. Малі краплі формуються в розрядних ячейках, які створюють катодну пляму.
Исследовано относительное содержание капельной фазы на поверхности конденсируемых титановых
пленок при вакуумно-дуговом испарении титана в непрерывном (до 30 с) и импульсном режимах горения
дуги с различной скважностью. Показано, что концентрация крупных капель снижается с уменьшением вре-
мени горения дуги. Сделано предположение, что крупные капли образуются при столкновении более мел-
ких в области катодного пятна. Мелкие капли формируются в разрядных ячейках, которые в совокупности и
образуют катодное пятно.
The relation contence of the drop phase at the surface of titanium films condensed by evaporation of titanium in
continuous (about 30 seconds) and pulsed mades of an arc at different pulse and pause time hasabeen investigated.
It is shown, that the concentration of large drops decreases with decreasing the arc burning time. The conjecture is
made, that the large drops formation is a result of collision of small drops in the vicinity of a cathode spot. The small
drops are emitted by discharge cells which form the cathode spot.
Главным недостатком вакуумно-дугового метода
получения пленок и покрытий является наличие в
плазменной фазе капельной составляющей [1,2],
причем, количество капель и их размеры увеличива-
ются с ростом времени осаждения и тока дуги [3].
Целью настоящей работы являлось выбор парамет-
ров разряда (тока дуги, времени горения дуги,
скважности при работе в импульсном режиме) на
количество и размеры капель в формируемых
пленках.
Эксперименты проводились на установке типа
"Булат" [4], объектом исследования был выбран ти-
тан. Рабочая поверхность катода диаметром 60 мм
предварительно полировалась до Ra~0,1 мкм.
Пленки титана осаждались на стеклянные подлож-
ки, располагавшиеся параллельно рабочей поверх-
ности катода и на расстоянии от него 200 мм.
Эксперименты проводились при длительности
разряда (tp) от 0,3 с до 30 мин, а также при импульс-
ной работе дугового испарителя продолжительно-
стью 2 с и временем между импульсами до 3 мин.
Ток дуги во всех экспериментах был равен 50 А –
минимальный устойчивый ток горения дуги в наших
условиях.
Время горения измерялось с помощью осцилло-
графа С 8 – 17, скважность работы дугового испари-
теля задавалась реле времени ВЛ-409ХЛЧ.
Поверхности сконденсированных пленок и рабо-
чей поверхности катодов исследовались на ми-
кроинтерферометре МИМ-8 при увеличении 500.
Определялись диаметр и количество эрозионных
кратеров на рабочей поверхности катода и капель на
подложке.
Результаты и их обсуждение
Исследование температурного режима катода по-
казало, что при временах горения дуги ≥25 мин тем-
пература поверхности катода не меняется, и количе-
ство генерируемых катодом капель в единицу вре-
мени также остается постоянными [5]. При време-
нах горения дуги <25 с с уменьшением времени го-
рения наблюдается снижение как количества, так и
диаметра капель. На рис.1 показан рост относитель-
ной площади, занятой каплями разных размеров, с
увеличением времени горения разряда. При времени
горения разряда 30 с доля поверхности подложки,
занятой каплями, составляет около 1,3%.
На рис. 2 показана зависимость отношения об-
щей площади капель заданного диаметра (Si кап) ко
всей площади поверхности подложки, занятой кап-
172ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (12), с.172-174.
лями всех размеров (∑Si кап) от диаметра капель
при различной длительности горения дугового раз-
ряда в непрерывном (кривые 1-4) и импульсном
(кривая 5) режимах. Видно, что при времени непре-
рывного горения дуги ≤ 5 с доля капель диаметром
~ 4 мкм не превышает 5%, и с уменьшением време-
ни непрерывного горения дуги основной вклад (до
30%) дают капли диарывного горения дуги >5 с,
доля крупных капель стремительно нарастает, и при
времени горения дуги 10 с доля капель диаметром
~13 мкм составляет ∼45%. При импульсной работе
дугового разряда (разряд 2 с, пауза 10 с, общее вре-
мя разряда 30 с, кривая 5) капель диаметром >4 мкм
вообще не наблюдается.
Рис.1. Зависимость относительной площади
(Sкап./Sподл. х 100%) занимаемой каплями титана
(Sкап), от длительности разряда, Ig=100 А; рас-
стояние катод-подложка 250 мм
Согласно литературным данным источником
капель при вакуумно-дуговом разряде являются ка-
тодные пятна, размеры которых существенно зави-
сят от теплового режима катода [5,6].
Нами проведена оценка интегральной температу-
ры поверхности титанового катода после различного
времени горения дуги по уравнению, предложенно-
му в работе [7] :
ρλ
π
κ ct
S
Vkg ⋅Ι=Τ 2 .
Здесь λ - коэффициент теплопроводности,
0,0364 кал/см⋅с⋅град; ρ - плотность, 4,5 г/см3; Ig –
ток дуги, 50 А; Vk – прикатодное падение потенциа-
ла, 10 В; t – время горения дуги.
В таблице приведены значения температуры по-
верхности катода для различного времени горения
дуги.
При длительности разряда ∼ 1 с интегральная
температура катода, как видно из таблицы, не отли-
чается от комнатной и, следовательно, диаметр ка-
тодных пятен минимален. При времени горения
дуги 30 с температура катода равна ∼453 К, в этом
случае диаметр катодных пятен должен быть
больше и увеличивается диаметр генерируемых
капель. При импульсной работе дугового разряда
интегральная температура катода практически не
отличается от комнатной и, как результат этого, мы
имеем только мелкие капли.
Для проверки справедливости высказанных
представлений мы исследовали характер эрозии ти-
танового катода после горения дуги в течение 0,3 с.
Рис.2. Зависимость отношения площади капель ти-
тана заданного размера к общей площади поверхно-
сти, занятой всеми каплями на подложке (Si кап/∑
iSiкап х 100%), от диаметра капель (D кап),
Ig=55 А; tp=2 (1), 5 (2), 10 (3) и 60 с (4) при постоян-
ном режиме работы источника и импульсном при
tp=2 с, t пауза = 10 с и ∑tp = 30 с
Рис.3. Зависимость диаметра капель в покры-
тии и диаметра кратеров на поверхности катода
от их количеств при распылении титана
При исследовании микрорельефа на поверхности
катода наблюдались кратеры, которые представляют
собой углубления, ограниченные круглой или ло-
манной линией. Наблюдаемые кратеры отличаются
своим расположением. Кратеры размером <10 мкм
расположены по одиночке, расстояние между ними
больше их диаметра, поверхность катода между кра-
терами не повреждена. Наблюдается также группо-
вое расположение кратеров таких размеров – по 2-
173ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (12), с.172-174.
10 в группе, они могут быть расположены вплотную
друг к другу.
Время разряда, с 2 5 10 30 60
Температура поверхности
катода, К 320 346 378 453 523
Минимальный наблюдаемый размер одиночных
кратеров и кратеров в группе ∼3 мкм. Глубина кра-
теров в группах (которая равна ∼0,5 их диаметра)
отличается не более чем на 50%, что вероятно ука-
зывает на их совместное существование в течение
определенного отрезка времени. И, наконец, наряду
с описанными видами кратеров наблюдаются оди-
ночные кратеры размером >10 мкм.
На рис. 3 показана зависимость диаметров
капель (Дкап) на поверхности подложки и кратеров
(Дкр) на поверхности катода после дугового разряда
продолжительностью 0,3 с.
Видна корреляция зависимости размеров капель
и кратеров от их количества. То обстоятельство, что
рост размеров капель существенно отстает от разме-
ров кратеров, связано с тем, что при вакуумно-дуго-
вом распылении титана крупные капли распростра-
няются под небольшим углом к поверхности катода
(до 30о), а по оси катода наблюдаются только еди-
ничные капли [3].
Из полученных результатов можно заключить,
что местом формирования крупных капель являются
крупные кратеры. Как установлено при исследова-
нии катодных пятен при вакуумно-дуговом разряде,
они распадаются на разрядные ячейки [5]. Количе-
ство разрядных ячеек определяется током дугового
разряда и в нашем случае (если принять пороговый
ток в разрядной ячейке равным ∼1,6 А [8]) состав-
ляет несколько десятков. Мелкие капли формируют-
ся именно в разрядных ячейках, их размеры не мо-
гут быть больше размера разрядной ячейки (<∼ 10-
4 см), количество их находится на уровне ∼104
капель на ячейку. Близко расположенные разрядные
ячейки образуют кратер, в котором мелкие капли,
сталкиваясь друг с другом, образуют крупные кап-
ли, которые мы и наблюдаем на сконденсированной
пленке.
С увеличением интегральной температуры като-
да размеры как разрядных ячеек, так и катодных пя-
тен увеличиваются, что и приводит к росту раз-ме-
ров капель. По–видимому, процесс формирования
крупных капель можно затормозить, если процесс
распыления вести в импульсном режиме при малых
временах горения дуги.
Выводы
1. Исследовано относительное содержание
капельной фазы при вакуумно-дуговом испарении
титана в непрерывном (до 30 с) и импульсном режи-
мах горения дуги, с различной скважностью. Пока-
зано, что концентрация крупных капель снижается с
уменьшением времени горения дуги.
2. Для обеспечения низкой концентрации круп-
ных капель процесс следует вести в импульсном ре-
жиме. Продолжительность импульсов и скважность
дугового разряда определяются величиной тока ду-
гового разряда.
3. Предложен механизм образования крупных
капель в плазменном потоке при вакуумно-дуговом
распылении металлов.
Литература
1. В.В. Клубович, А.А. Литвинов. Защитные свой-
ства и топография поверхности TiN покрытии,
осажденных из капельно-плазменного потока //
ФХОМ. 1994,т. 6, с.80.
2. В.Д. Егоров, В.В. Клубович. Фазовый состав плаз-
мы, генерируемой стационарной вакуумной ду-
гой // ФХОМ. 1992, 6, с.69.
3. И.И. Аксенов, И.И. Коновалов и др. Исследование
капельной фазы эрозии катода стационарной ва-
куумной дуги // ЖТФ. 1984, т.54, №8, с. 1530.
4. В.М. Лунев, В.Д. Овчаренко, В.М. Хороших. Ис-
следование некоторых характеристик плазмы ва-
куумной металлической дуги // ЖТФ. 1977, т.47,
№7, с.1486.
5. Е.А. Литвинов, Г.А. Месяц, Д.И. Проскуровский.
Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процес-
сы // УФН. 1983, т.139, №2, с.265.
6. И.И. Аксенов, В.Г. Брень, И.И. Коновалов и др.
Исследование плазмы стационарного вакуумного
дугового разряда. II. Влияние интегральной тем-
пературы катода // ТВТ. 1983, т.21, №4, с.646.
7. С.Д. Гришин, Л.В. Лесков, Н.П. Козлов. Электри-
ческие ракетные двигатели. М.: «Машинострое-
ние», 1975, с.272.
8. И.Г. Кесаев. Катодные процессы электрической
дуги. М.: «Наука», 1968, с.116.
174ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (12), с.172-174.
Результаты и их обсуждение
Выводы
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79516 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T03:20:42Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Белоус, В.А. Лунев, В.М. Павлов, В.С. 2015-04-02T17:32:32Z 2015-04-02T17:32:32Z 2002 Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках / В.А. Белоус, В.М. Лунев, В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 172-174. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79516 537.523.5 Исследовано относительное содержание капельной фазы на поверхности конденсируемых титановых пленок при вакуумно-дуговом испарении титана в непрерывном (до 30 с) и импульсном режимах горения дуги с различной скважностью. Показано, что концентрация крупных капель снижается с уменьшением времени горения дуги. Сделано предположение, что крупные капли образуются при столкновении более мелких в области катодного пятна. Мелкие капли формируются в разрядных ячейках, которые в совокупности и образуют катодное пятно. Вивчено відносний склад крапельної фази на поверхні титанових плівок, що формуються при вакуумно-дуговому випарюванні титану в стаціонарному (до 30 с) та імпульсному режимах горіння дуги з різною скважністю. Показано, що концентрація великих краплин знижується із зменшенням часу горіння дуги. Зроблено допущення, що великі краплі створюються при зіткненні менших краплин в області катодної плями. Малі краплі формуються в розрядних ячейках, які створюють катодну пляму. The relation contence of the drop phase at the surface of titanium films condensed by evaporation of titanium in continuous (about 30 seconds) and pulsed mades of an arc at different pulse and pause time hasabeen investigated. It is shown, that the concentration of large drops decreases with decreasing the arc burning time. The conjecture is made, that the large drops formation is a result of collision of small drops in the vicinity of a cathode spot. The small drops are emitted by discharge cells which form the cathode spot. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Пленочные материалы и покрытия Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках Белоус, В.А. Лунев, В.М. Павлов, В.С. Пленочные материалы и покрытия |
| title | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках |
| title_full | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках |
| title_fullStr | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках |
| title_full_unstemmed | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках |
| title_short | Влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках |
| title_sort | влияние параметров импульсной работы вакуумно-дугового испарителя на концентрацию капель в формируемых пленках |
| topic | Пленочные материалы и покрытия |
| topic_facet | Пленочные материалы и покрытия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79516 |
| work_keys_str_mv | AT belousva vliânieparametrovimpulʹsnoirabotyvakuumnodugovogoisparitelânakoncentraciûkapelʹvformiruemyhplenkah AT lunevvm vliânieparametrovimpulʹsnoirabotyvakuumnodugovogoisparitelânakoncentraciûkapelʹvformiruemyhplenkah AT pavlovvs vliânieparametrovimpulʹsnoirabotyvakuumnodugovogoisparitelânakoncentraciûkapelʹvformiruemyhplenkah |