Методика расчета технологических параметров при осаждении покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда

Рассмотрим упрощенную модель, позволяющую осуществить предварительный выбор технологических параметров осаждения покрытий. Математическая модель позволяет связать технологические параметры (ток разряда J _р, давление реакционного газа Р, потенциал смещения U _п, радиус катода, положение детали относительно катода) с параметрами покрытий (толщина h, равномерность D h). Рассмотрим расчет скорости осаждения покрытий и температуры подложки для частного случая, реализуемого на установках «Булат», «Пуск» при напылении металлических покрытий на плоские детали. Расчетная схема приведена на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Расчетная схема ионно-плазменного осаждения покрытий

Распределение плотности ионного тока в произвольной точке плоской поверхности можно рассчитать по формуле

, (6.68)

где m _p – коэффициент эрозии катода;

I _д – ток дуги, А;

m_i – масса конденсирующегося иона, кг;

R _к – радиус катода;

l – расстояние от торца катода до поверхности обработки;

b – расстояние от оси потока до поверхности обработки;

z_i – средний заряд ионов.

Плотность ионного тока на оси катода находится простым соотношением

. (6.69)

Скорость роста покрытия находится из соотношения

, (6.70)

где r– удельная масса конденсирующегося вещества;

a_к – коэффициент конденсации;

е – заряд электрона;

S_p – коэффициент распыления.

Температура подложки находится из соотношения

, (6.71)

где s–постоянная Стефана-Больцмана;

e _r –интегральный коэффициент излучения подложки;

W_i – энергия иона;

U_п – потенциал подложки;

U_i – средний потенциал ионизации;

Q _к – энергия, выделяющаяся при конденсации одного иона;

Т _с – температура среды.

Пример. Найти скорость и температуру конденсации покрытия «Cr» на поверхности, расположенной на оси катода, параллельно плоскости катода на расстоянии l = 200 мм. Радиус катода
R _к= 100 мм.

Режим напыления: I _р= 200 А; U_п = 150 В; Р = 5·10^–3 Па.

Решение: При ускоряющем напряжении на подложке U_п = 150 В можно пренебречь распылением подложки и считать, что коэффициент конденсации a_к = 1. Тогда скорость роста покрытия можно рассчитать по формуле

.

Подставив исходные данные µ_р= 42·10^–9 кг/Кл, r = 7,19·10³ кг/м³, получим

.

Найдем плотность тока, подставив исходные значения =1,44; m _Cr = 86,32·10^{-27 кг; е = 1,6·10-15} Кл, получим

.

Подставив исходные данные Т_с = 300 К; U_п = 150 В;
Q _к = 6,47·10^–19 Дж; W_i =122·10^–19 Дж; U_i =12 B; s =5,7·10^–8 Вт/м²; e _r = 0,7 получим

,

откуда Т_п» 600° С.

Реальное значение скорости конденсации, полученное при напылении покрытий «Cr» на установке «Пуск» при указанных параметрах V _к= 7,7·10^–3 мкм/с оказывается несколько выше расчетной, поскольку при расчете не учитывается вклад конденсирующихся нейтральных атомов.

ГЛАВА 7. ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ,
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ИОННОМ АЗОТИРОВАНИИ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ

Дата добавления: 2017-02-01