Газоразрядные генераторы высокой частоты для обработки материалов
Впервые разработан метод выделения высокочастотных колебаний из плазмы высоковольтного тлеющего разряда. Метод основан на возникновении пульсаций давления при взаимодействии струи напускаемого рабочего газа с преградой. Пульсации давления создают пространственную неоднородность концентрации плазмы высоковольтного тлеющего разряда (14 кВ, 30 мА), что вызывает нестабильность горения разряда. Разница напряжения зажигания и горения разряда вкладывается в ионизационные процессы и сверхвысокочастотные (СВЧ) колебания, которые выделяются индуктивно-емкостным контуром на частоте 5 МГц. Доля мощности, переведенная в СВЧ-колебания, достигает 40 %. Апробация генератора при травлении ниобата лития показала, что поверхностный заряд с подложки снимается плазмой, а также за счет токов смещения и перезарядки. Скорость травления достигает 5 мкм/ч.
Gas-discharge high-frequency generators for material processing.pdf Введение Широкое распространение получила обработка материалов потоками ионов, электронов и плазмы [1-3]. Однако воздействие электронного или ионного потока на материалы оптической электроники (пьезоэлектрики) сопровождается зарядом поверхности, который препятствует обработке. В данной работе с целью повышения эффективности ионного травления исследуется возможность выделения высокочастотной составляющей электрического поля из плазмы высоковольтного тлеющего разряда с одновременным снятием поверхностного заряда плазмой. Предлагается использовать пульсации давления, возникающие при взаимодействии струи напускаемого рабочего газа с преградой [4]. Пульсации давления вызывают пространственную неоднородность концентрации плазмы и нестабильность изменения концентрации плазмы в высоковольтном разряде. Плазма является источником широкого спектра излучаемых частот. Индуктивно-емкостной контур выделяет частоту, наиболее приемлемую для разрыва энергии связи при обработке конкретного материала. Заряд поверхности материала снимается плазмой разряда, а также за счет токов смещения и перезарядки [5]. Моделирование процесса В качестве модели описания течения газа используется одномерная гидродинамическая модель [6]. Истечение газового потока в вакуум (рис. 1) характеризуется коэффициентом скорости λ, равным отношению скорости потока газа к скорости звука в неподвижном газе [6]: , (1) где k - показатель адиабаты газа. При λ = 0 газ неподвижен, при λ = 1 скорость потока равна скорости звука, при λ = 2.5 скорость потока достигает максимального значения. Радиальное и продольное расширение потока происходит с формированием на расстоянии Xm зоны уплотнения давления, центральная часть которой называется диском Маха. Расстояние до диска Маха в свободной струе подчиняется выражению [6] , (2) где d - диаметр отверстия истечения газа; k - показатель адиабаты газа; Pj, P1 - давления на срезе отверстия истечения газа и в камере, куда истекает газ. Давление на срезе отверстия d определяется соотношением [6] . (3) Для воздуха давление на срезе отверстия истечения газа определится соотношением , (4) где P0 - давление перед отверстием напуска газа. Максимальный поперечный размер свободной струи на уровне диска Маха dm удовлетворительно описывается выражением . (5) Методика и техника эксперимента На рис. 1 представлена схема газоразрядного генератора. В вакуумной камере 1 расположен экспандер 2 с отверстиями диаметром по 1 мм для подачи плазмы в область извлекающего электрода. При откачке вакуумной камеры насосом НВЗ-20 до давления 5-10 Па в нее напускается рабочий газ (воздух). Газ, истекая в вакуум через отверстие d, распространяется в виде факела 4 с формированием диска Маха 5. За диском Маха перед подвижной преградой 6 формируется турбулентная зона пульсаций давления. Импульсное давление регистрируется электроразрядным датчиком давления 7 с помощью осциллографа. Рис. 1. Схема газоразрядного генератора высокой частоты Сначала между корпусом 1 и анодом 3 зажигается низковольтный вспомогательный раз¬ряд Uad (600 В, 1 А). Электронный поток бомбардирует анод 3 с расположенным на нем ниобатом лития. После прогрева системы разряд начинает гореть в парах испаряемого материала, идентичного обрабатываемому образцу. Об этом свидетельствует изменение вольт-амперной характеристики вспомогательного разряда. На электрод 9 подается извлекающее напряжение (-U) порядка 3 кВ с током до 70 мА. В системе возникает основной высоковольтный разряд. Образец ниобата лития 8 прогревается в течение 15 мин до температуры 500 K. Прогрев способствует удалению адсорбированных газов из элементов устройства и предотвращает температурное напряжение кристалла. Спустя 5-10 мин при неизменном давлении в камере напряжение разряда повышается до 10-14 кВ, а ток разряда уменьшается до 30 мА. Изменение вольт-амперной характеристики свидетельствует о горении высоковольтного разряда в парах травимого материала. Взаимодействие напускаемого газа с экспандером и преградой приводит к возникновению импульсов давления и нестабильности основного высоковольтного лучевого разряда. Разряд начинает хаотично перескакивать по отверстиям экспандера. Разница между напряжением зажигания и горения вкладывается в ионизационные процессы и СВЧ-колебания, выделяемые индуктивно-емкостным контуром. Выделяемая частота регистрируется осциллографом 10 марки АКИП 4119/2. Обработка осциллограмм проводится с помощью пакета Mathcad. Результаты исследования и их обсуждение В диапазоне давлений в вакуумной камере от 1 до 100 Па форма потока газа меняется от формы в виде шара до формы в виде факела. Расстояние до диска Маха соизмеримо с поперечником струи и составляет 10 диаметров отверстия истечения d. Это совпадает с данными [6] для истечения потоков газа при перепаде давления. Амплитуда высокочастотных колебаний усиливается с увеличением расхода газа. Поверхностный заряд с кристалла снимается плазмой, а также за счет токов смещения и перезарядки. Изменяя размеры экспандера и положение преграды, можно настраивать генератор на частоту, наиболее подходящую для определенного материала. Доля мощности, переведенная в СВЧ-колебания, определенная калориметром, достигает 40 %. Для уменьшения газовой нагрузки в ряде случаев применялся импульсный напуск газа с частотой 1 Гц и расходом 10-4 Пам3/с. Наложение магнитного поля (0.2 Тл) позволяет увеличивать ток разряда. В этом случае частота импульсов давления возрастает до 16 кГц. После травления кристаллы ниобата лития отжигались для просветления. Апробация травления на ниобате лития обеспечивает скорость травления 5 мкм/ч при плотности ионного тока 0.5 мА/см2 и относительно прямоугольном профиле травления. Применение легких газов с высоким потенциалом ионизации (гелий) позволяет генератору работать на более высоком давлении. На рис. 2 представлена осциллограмма колебаний применительно к травлению ниобата лития. На фоне периодических колебаний давления газа просматриваются высокочастотные плазменные колебания на частотах 1-5 МГц. Изменяя давление газа или геометрические размеры экспандера, можно изменять амплитуду взаимодействия газа с преградой и условия горения высоковольтного разряда. Рис. 2. Осциллограмма колебаний давления в системе Выводы Впервые показана возможность выделения высокочастотной составляющей электрического поля из плазмы применительно к травлению композиционных материалов ионами компонент самого материала. Показана возможность настройки частоты и параметров травления за счет взаимодействия газового потока с экспандером. Требуемая частота травления зависит от рода материала. Повышение производительности устройства (скорости травления) достигается за счет сочетания ионного и СВЧ-воздействия на материал. Способ построения генераторов высокой частоты для обработки стеклоподобных материалов показал свою перспективность. Полученные результаты позволят расширить техническое применение пьезоэлектрических материалов в современной электронике.
Ключевые слова
разряд,
частота,
источник ионов,
поток плазмы,
discharge,
frequency,
ion source,
plasma flowАвторы
Орликов Леонид Николаевич | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | д.т.н., профессор каф. ЭП ТУСУРа | Oln4@yandex.ru |
Орликов Николай Леонидович | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | инженер каф. ЭП ТУСУРа | ufoss@ngs.ru |
Мамбетова Ксения Мустафиевна | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | аспирантка каф. ЭП ТУСУРа | kseniam-89@mail.ru |
Шандаров Станислав Михайлович | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | д.ф.-м.н., профессор, зав. каф. ЭП ТУСУРа | stanislavshandarov@gmail.com |
Всего: 4
Ссылки
Тургунова Н.Д., Алейник А.Н., Букал В. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 12/2. - С. 99-101.
Orlikov L.N., Arestov S.I., Shandarov S.M., and Mambetova K.M. // Изв. вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 9/3. - С. 24--27.
Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Источники низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом. - Новосибирск: Наука, 2018. - 176 с.
Орликов Л.Н. Вопросы теории и практики вывода в газ низкоэнергетических электронных пучков. - Томск: ТГУ, 2002. - 150 с.
Орликов Л.Н., Орликов Н.Л., Шандаров С.М. Устройство для ионной обработки материалов // Патент 2187168 Российская Федерация, МПК H01J27/02, C23C14/46, H05H1/34. Заявитель и патентообладатель: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Заявл. 18.12.2000, № 2000131832/06; Опубл. 10.08.2002.
Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976. - 808 с.