Физические основы электрофизических технологий
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Февраля 2013 в 21:43, курс лекций
Описание работы
1.1. Общая характеристика электрофизикохимических
технологических процессов
К электрофизическим и электрохимическим методам обработки материалов относят методы изменения формы, размеров, шероховатости и свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, происходящее под воздействием электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, электронного или оптического излучения, плазменной струи, а также высоко-
энергетических импульсов и магнитострикционного эффекта.
Содержание работы
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ........................................5
1.1. Общая характеристика электрофизикохимических технологических
процессов...............................................................................................................5
1.2. Классификация электрофизикохимических методов обработки
материалов и изделий электронной техники.....................................................7
1.3 Использование методов и оборудования для электрофизической
обработки в производстве изделий электронной техники...............................8
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ........................9
2.1. Понятие о плазме, как об особом состоянии вещества.............................9
2.2. Основные характеристики технологической плазмы................................9
2.3. Элементарные процессы в плазме.............................................................12
2.4. Взаимодействие частиц плазмы между собой .........................................16
2.5. Особенности газового разряда при низком давлении .............................17
2.6. Воздействие плазменного потока на обрабатываемый материал ..........18
2.6.1. Типы воздействия плазмы на обрабатываемый материал ................18
2.6.2. Классификация плазменных технологических процессов по
механизму воздействия на обрабатываемую поверхность .........................20
2.6.3. Распыление материалов под действием ионной бомбардировки.....22
2.6.4. Физико-химический механизм плазмохимической обработки. .......24
2.6.5. Газовые среды и химические реакции в плазме.................................26
2.7. Средства и способы устойчивого поддержания плазмы.........................28
2.7.1. Виды газовых электрических разрядов...............................................28
2.7.2. Разряд постоянного тока.......................................................................28
2.7.3. Высокочастотный газовый разряд.......................................................31
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ .............36
3.1. Характеристика ультразвука как физического фактора..........................36
3.2. Основные эффекты УЗ-колебаний в среде...............................................37
3.3. Технологическое использование силового и............................................38
физико-химического действия ультразвука ....................................................38
4. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ..................................................................................42
4.1. Понятие и механизм электрической эрозии.............................................42
4.2. Параметры электрических разрядов..........................................................45
4.3. Сравнительная характеристика технологических возможностей
процессов ЭЭО ...................................................................................................46
4.4. Методы электроэрозионной обработки ....................................................47
5. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ.............................................................................51
5.1. Технологические особенности электронно-лучевого нагрева ...............51
5.2. Взаимодействие электронного луча с веществом....................................52
5.3. Технологическое применение электронно-лучевого нагрева.................54
6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ .............................61
Page 3
4
6.1. Классификация лазеров ..............................................................................61
6.2. Физические принципы создания лазерного излучения...........................61
6.3. Принцип работы твёрдотельных лазеров .................................................62
6.4. Параметры излучения твёрдотельного лазера..........................................64
6.5. Принцип работы газового лазера...............................................................65
6.5.1. Лазер на нейтральных атомах ..............................................................66
6.5.2. Лазеры на ионных переходах...............................................................67
6.5.3. Молекулярные лазеры...........................................................................68
6.6. Взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом................69
6.7. Формообразование поверхностей при обработке отверстий импульсным
лазером.................................................................................................................70
6.7.1. Моноимпульсная обработка. Получение глухих отверстий.............70
6.7.2. Многоимпульсная обработка ...............................................................72
6.7.3. Моноимпульсная обработка. Получение сквозных отверстий.........72
7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ..........................................................................................................74
7.1. Приэлектродные процессы в среде электролита......................................74
7.2. Выбор режимов проведения процессов обработки металлов.................77
7.3. Определение производительности процесса электрохимической
обработки.............................................................................................................80
Файлы: 1 файл
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
"ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ "
для специальности 36.04.01 "Электронно-оптическое аппаратостроение"
специализация: 36.04.01.01 "Электрофизические процессы и
оборудование"
3
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ........................................5
1.1. Общая характеристика электрофизикохимических технологических
процессов...............................................................................................................5
1.2. Классификация электрофизикохимических методов обработки
материалов и изделий электронной техники.....................................................7
1.3 Использование методов и оборудования для электрофизической
обработки в производстве изделий электронной техники...............................8
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ........................9
2.1. Понятие о плазме, как об особом состоянии вещества.............................9
2.2. Основные характеристики технологической плазмы................................9
2.3. Элементарные процессы в плазме.............................................................12
2.4. Взаимодействие частиц плазмы между собой .........................................16
2.5. Особенности газового разряда при низком давлении .............................17
2.6. Воздействие плазменного потока на обрабатываемый материал ..........18
2.6.1. Типы воздействия плазмы на обрабатываемый материал ................18
2.6.2. Классификация плазменных технологических процессов по
механизму воздействия на обрабатываемую поверхность .........................20
2.6.3. Распыление материалов под действием ионной бомбардировки.....22
2.6.4. Физико-химический механизм плазмохимической обработки. .......24
2.6.5. Газовые среды и химические реакции в плазме.................................26
2.7. Средства и способы устойчивого поддержания плазмы.........................28
2.7.1. Виды газовых электрических разрядов...............................................28
2.7.2. Разряд постоянного тока.......................................................................28
2.7.3. Высокочастотный газовый разряд.......................................................31
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ .............36
3.1. Характеристика ультразвука как физического фактора..........................36
3.2. Основные эффекты УЗ-колебаний в среде...............................................37
3.3. Технологическое использование силового и............................................38
физико-химического действия ультразвука ....................................................38
4. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ..................................................................................42
4.1. Понятие и механизм электрической эрозии.............................................42
4.2. Параметры электрических разрядов..........................................................45
4.3. Сравнительная характеристика технологических возможностей
процессов ЭЭО ...................................................................................................46
4.4. Методы электроэрозионной обработки ....................................................47
5. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ.............................................................................51
5.1. Технологические особенности электронно-лучевого нагрева ...............51
5.2. Взаимодействие электронного луча с веществом....................................52
5.3. Технологическое применение электронно-лучевого нагрева.................54
6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ .............................61
4
6.1. Классификация лазеров ..............................................................................61
6.2. Физические принципы создания лазерного излучения...........................61
6.3. Принцип работы твёрдотельных лазеров .................................................62
6.4. Параметры излучения твёрдотельного лазера..........................................64
6.5. Принцип работы газового лазера...............................................................65
6.5.1. Лазер на нейтральных атомах ..............................................................66
6.5.2. Лазеры на ионных переходах...............................................................67
6.5.3. Молекулярные лазеры...........................................................................68
6.6. Взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом................69
6.7. Формообразование поверхностей при обработке отверстий импульсным
лазером.................................................................................................................70
6.7.1. Моноимпульсная обработка. Получение глухих отверстий.............70
6.7.2. Многоимпульсная обработка ...............................................................72
6.7.3. Моноимпульсная обработка. Получение сквозных отверстий.........72
7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ..........................................................................................................74
7.1. Приэлектродные процессы в среде электролита......................................74
7.2. Выбор режимов проведения процессов обработки металлов.................77
7.3. Определение производительности процесса электрохимической
обработки.............................................................................................................80
5
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННО-
СТИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ
1.1. Общая характеристика электрофизикохимических
технологических процессов
К электрофизическим и электрохимическим методам обработки мате-
риалов относят методы изменения формы, размеров, шероховатости и
свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, происходящее под воздей-
ствием электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, элек-
тронного или оптического излучения, плазменной струи, а также высоко-
энергетических импульсов и магнитострикционного эффекта.
Отличительной особенностью этих методов является использование
электрической энергии непосредственно для технологических целей без про-
межуточного преобразования ее в другие виды энергии. Причем использова-
ние электрической энергии осуществляется непосредственно в рабочей зоне
через химические, тепловые и механические воздействия.
К этим методам относят также и различные сочетания (совмещения) в
одном процессе нескольких из указанных способов воздействия между собой
или с традиционными методами обработки резанием или давлением. Такие
методы называют комбинированными.
Большинство процессов электрофизикохимической обработки сопрово-
ждается удалением с обрабатываемой поверхности заготовок припуска. Та-
кие процессы и операции относят к размерной обработке (размерное формо-
образование). Некоторые процессы осуществляются без снятия припуска с
обрабатываемых поверхностей — их относят к безразмерной (отдельной) об-
работке.
Основные технологические особенности и достоинства ЭФХИО по срав-
нению с традиционными технологиями, основанными на преимущественно
силовом контактном воздействии инструмента на заготовку следующие:
1. Возможность обработки широкого круга материалов с разнообразны-
ми механическими, электрическими, оптическими и другими свойства-
ми. По меньшей мере, для каждого материала можно подобрать наибо-
лее эффективный процесс.
2. Незначительное механическое воздействие на заготовку благодаря
тому, что либо вообще отсутствует инструмент, либо процесс бескон-
тактный.
3. Получение сложных конфигураций, широкие пределы возможных раз-
меров обрабатываемой поверхности от объектов так называемой нано-
технологии до крупногабаритных деталей.
4. Незначительная технологическая наследственность процессов, т. е.
возможность проведения обработки в режимах, не создающих остаточ-
ного воздействия на свойства вещества детали.
6
5. Возможность интенсификации многих технологических процессов
механической обработки (резанием и давлением), нанесения покрытий,
сварки, пайки и др. выполняемых традиционными методами с большой
трудоемкостью и низким качеством обработки.
6. Возможность механизации и автоматизации основных технологиче-
ских и вспомогательных переходов вплоть до применения робототехни-
ческих средств и комплексной автоматизации операций и процессов.
7. Возможность сокращения расходования остродефицитных и дорогих
инструментальных сталей и сплавов, а также потерь обрабатываемых
материалов.
Однако методы электрофизикохимической обработки имеют недостатки
и ограничения, которые обусловлены их физической сущностью и специфи-
кой:
1) Повышенная энергоемкость процессов при равнозначных с механиче-
ской обработкой продолжительности и качественных показателях;
2) Относительная громоздкость применяемого технологического обору-
дования и оснастки, а также необходимость применения во многих слу-
чаях специальных источников питания электрическим током, устройств
для подачи, сбора, хранения и очистки рабочей жидкости;
3) Необходимость размещения технологического оборудования в от-
дельных помещениях, связанная с учетом повышенной пожарной опас-
ности и выполнением специфических требований безопасности труда.
В настоящее время к электрофизическим и электрохимическим методам
обработки материалов относят:
1) электроэрозионную обработку;
2) электрохимическую обработку;
3) ультразвуковую обработку;
4) плазменную обработку (все виды, включая ионно-плазменную, ион-
ную имплантацию, высокот и т.д.);
5) детонационную обработку;
6) электроннолучевую обработку;
7) лазерную обработку;
8) комбинированную обработкау.
Эти методы применяются для:
1) обработки материалов, имеющих плохую обрабатываемость лезвий-
ным и абразивным инструментами (высоколегированные стали, твердые
сплавы, ферриты, керамика, полупроводниковые материалы, рубин,
кварц и т. д.);
2) обработки миниатюрных нежестких деталей;
3) обработки деталей сложной формы с пазами и отверстиями микрон-
ных размеров (выводные рамки корпусов микросхем, маски фотошабло-
нов, трафареты);
4) изготовления глухих отверстий и пазов.
7
1.2. Классификация электрофизикохимических
методов обработки материалов и изделий электронной техники
Существует несколько вариантов классификации методов электрофизи-
кохимической обработки:
а) по виду и характеру энергетического воздействия на обрабатываемый
материал:
— электроразрядные;
— электрохимические;
— ультразвуковые;
— лучевые;
— комбинированные.
б) по характеру явлений, происходящих вследствие воздействия на заго-
товку электрического тока — основного вида энергии, затрачиваемого
на осуществление обработки:
— химическое воздействие электрического тока (разновидности элек-
трохимической обработки);
— тепловое воздействие электрического тока (электроэрозионная,
плазменная обработка, лучевые методы обработки);
— механическое воздействие электрического тока или электромаг-
нитного поля (ультразвуковая, электрогидроимпульсная обработка —
сочетание различных воздействий электрического тока или электро-
магнитного поля одновременно друг с другом, а также с различными
процессами механической обработки).
в) по виду обработки:
— с применением инструмента (электроэрозионная, электрохимиче-
ская, ультразвуковая);
— обработка с использованием высококонцентрированных потоков
энергии (электроннолучевая, светолучевая, плазменная, электро-
взрывная, магнитоимпульсная);
— комбинированные методы (анодно-механический, электроэрозион-
но-химический, обработка с наложением ультразвуковых колебаний,
электролазерный и др.).
Общей объединяющей основой всех этих методов является использова-
ние электрической энергии в процессе формообразования или обработки.
Необходимость применения и развития указанных методов обработки
обусловлена тремя специфическими особенностями развития современных
отраслей промышленности:
1. В конструкциях машин и приборов все шире применяются твердые
специальные сплавы и стали с различными легирующими добавками, трудно
обрабатываемые классическими методами механообработки.
2. Все чаще к формообразованию деталей приборов и устройств предъ-
являются специальные требования — обработка детали с точностью
мкм
1
±
,
8
прорезание пазов шириной
мкм
7
5 −
, образование отверстия с криволиней-
ной осью или конической поверхностью и др.
3. В связи с широким развитием вычислительной, электронной и полу-
проводниковой техники появилась необходимость массовой обработки ми-
ниатюрных деталей: обработка тонкостенных деталей, деталей объемом ме-
нее
3
мм
1
и др.
1.3 Использование методов и оборудования для электрофизической
обработки в производстве изделий электронной техники
Примеры использования электрофизикохимических методов обработки
в производстве изделий электронной техники:
— электроэрозионная обработка — изготовление полостей ковочных
штампов и пресс-форм, формообразование анодных блоков магнетро-
нов, электроэрозионная вырезка деталей электровакуумной и электрон-
ной техники (сеток, решеток, пазов и др.), прошивание мелкоразмерных
отверстий в корпусах, деталях плазменных устройств, обработка мелких
деталей из нержавеющей стали, вырезание спиралей ламп бегущей вол-
ны и т. д.;
— электрохимическая обработка — внутренних полостей сложной фор-
мы, сверление глубоких отверстий, полирование поверхности деталей
сложной формы, снятие заусенцев на деталях после механической обра-
ботки, изготовление печатных плат;
— ультразвуковая обработка — очистка деталей, подложек ИМС, свер-
ление отверстий в полупроводниковых и диэлектрических пластинах,
приварка проволоки к контактным площадкам ИМС и т. д.;
— лазерная сварка — выводы диодов, миниатюрных реле (в частности
герконовых), выводы для солнечных элементов, лазерная сварка балло-
нов электронных ламп и корпусов полупроводниковых приборов;
— лазерная резка — заготовок из алмаза, формы из керамических под-
ложек, скрайбирование кристаллов и т. д.;
— лазерное сверление, закалка…
— электронно-лучевая обработка — испарение материалов с целью на-
несения тонких пленок, подгонка элементов интегральных микросхем,
зонная плавка с целью роста монокристаллов кремния и германия, то-
чечная сварка, сварка деталей из разнородных материалов (W и Mo; Ni и
сталь и т. д.), электронно-лучевая литография и др.;
— плазменные методы обработки— микрофрезерование рисунка, нане-
сение тонких пленок, резка, наплавка и т. д.;
— электровзрывная обработка — формирование отражателей прие-
мо-передающих антенн и т. д.;
9
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
2.1. Понятие о плазме, как об особом состоянии вещества
Плазма (от греч. plasma — буквально - вылепленное, оформленное) —
частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положи-
тельных и отрицательных зарядов практически одинаковы (т. е. выполняется
условие квазинейтральности).
Плазма представляет собой смесь компонент: положительные ионы, от-
рицательные ионы, электроны и нейтральные частицы (атомы, молекулы, ра-
дикалы).
Название плазмы было введено Ленгмюром.
Плазма — наиболее распространенное состояние вещества. Верхние
слои атмосферы, звезды, радиационные пояса Земли, газовые разряды любо-
го типа представляют собой плазму и их поведение связано с явлениями,
протекающими в плазме.
Необходимо различать понятия «плазма» и «газовый разряд». Газовый
разряд — это явление прохождения электрического тока через газ или пары
вещества под действием электрического поля. Таким образом газовый раз-
ряд — это способ получения плазмы в земных условиях с помощью электри-
ческого поля. В лабораторных условиях плазма может быть получена и с по-
мощью других способов: нагрев газа в процессе горения; воздействием иони-
зирующих излучений (лазерное, электронное, ИК и др.); ионизация с помо-
щью ударных волн и т. д.
В дальнейшем, говоря о плазме, мы будем иметь в виду только газооб-
разную плазму, не касаясь рассмотрения свойств плазмы твердых тел.
2.2. Основные характеристики технологической плазмы
Под технологической плазмой понимают состояние вещества в виде га-
зового разряда, характеризуемое определенной степенью ионизации и квази-
нейтральностью.
Плазма в общем случае состоит из заряженных частиц обоих знаков и
нейтральных атомов, молекул и радикалов.
Если обозначить концентрацию электронов и ионов в единице объема
e
n
или
i
n
, а концентрацию частиц газа при соответствующих условиях
r
n
, то
воспользовавшись соотношением
r
e
e
r
i
i
n
n
n
n
n
n
+
=
+
=
α
(2.1)
можно определить важнейшую характеристику плазмы, называемую «сте-
пень ионизации плазмы».
Обычно в технологической плазме
i
e
r
n
n
n
>
>
(2.2)
10
и поэтому в первом приближении можно записать
r
i
r
e
n
n
n
n
=
≈
α
.
(2.3)
В зависимости от величины α плазму разделяют на слабо , сильно и
полностью ионизированную.
В слабо ионизированной (или низкотемпературной) плазме средняя
энергия частиц значительно меньше энергии ионизации атомов, и степень
ионизации
2
10
−
<<
=
α
r
i
n
n
.
(2.4)
Обычно степень ионизации низкотемпературной плазмы составляет ве-
личину долей процента при концентрации электронов
-3
14
9
см
10
10 ÷
=
e
n
.
Сильно ионизованная плазма характеризуется
2
10
−
>
=
α
r
i
n
n
.
(2.5)
Для полностью ионизованной плазмы
1
≈
α
. Такая плазма в земных ус-
ловиях существует только в процессе протекания термоядерной реакции и
поэтому имеет весьма ограниченное практическое использование.
Важнейшей физико-технической характеристикой плазмы является ее
температура. Плазма может быть низкотемпературной и высокотемператур-
ной.
К низкотемпературной относят плазму, имеющую среднемассовую тем-
пературу газа от комнатной, до примерно равной
К
10
5
4
⋅
.
Низкотемпературная плазма может быть термической, т. е. оказывать
тепловое воздействие на вещество, и холодной, т. е. не оказывать такого воз-
действия. Более строго определить эти понятия можно, введя такую характе-
ристику плазмы, как температура.
Температура
T
представляет собой эквивалент энергии
W
. За единицу
энергии в плазме принят один электронвольт, равный
К
600
11
. В плазме как
в системе разнородных частиц, имеющих различный заряд и массу, чаще все-
го помещенной во внешние электрические и магнитные поля, энергия этих
частиц будет существенно отличаться. Поэтому в физике говорят о темпера-
туре (энергии) отдельных ее компонент, т. е. температуре нейтральных час-
тиц
н
T , ионов T
i
, электронов T
e
.
Масса электрона существенно меньше массы иона. Энергия частиц в
плазме приобретается за счет увеличения энергии электрона при его движе-
нии во внешних полях, а передается другим частицам в результате столкно-
вительных процессов.
11
В связи с этим обычно
н
i
e
T
T
T
>
>
.
(2.6)
Такая плазма называется неравновесной. Холодная низкотемпературная
плазма чаще всего существенно неравновесна и образуется в условиях пони-
женного давления, когда длина свободного пробега частицы достаточно ве-
лика, чтобы на этом пути электрон приобрел значительную энергию
(
К
10
4
e
T
).
Термическая низкотемпературная плазма существует чаще всего в усло-
виях нормального атмосферного или повышенного давления, когда длина
свободного пробега достаточно мала, количество столкновительных актов в
плазме резко возрастает и энергии частиц за счет этого почти выравнивают-
ся. Однако в этом случае должны существовать внешние условия, которые
быстро компенсируют потери энергии при столкновениях, т. е. эффектив-
ность передачи энергии от внешнего источника должна быть очень велика.
Обычно и величина передаваемой энергии значительна — порядка несколь-
ких киловатт и выше. Тогда устанавливается соотношение
н
i
e
T
T
T
≈
≈
и
плазма может называться квазиравновесной или равновесной.
О температуре плазмы в целом говорить нельзя. Необходимо всегда ука-
зывать температуру отдельных ее компонентов.
Например, в неравновесной холодной плазме при
К
10
5
=
e
T
температу-
ра ионов может составлять порядка
К
10
5
2
⋅
, а температура нейтральных
частиц может быть и того меньше. В это же время энергия отдельных частиц
(в том числе ионов и нейтральных) в плазме будет достаточной, чтобы суще-
ственно увеличить скорость химических реакций и обеспечить эффективный
процесс физико-химических превращений вещества, который при нормаль-
ных условиях идет либо слишком медленно, либо вообще не идет.
Низкотемпературной считают плазму с
К
10
5
≤
e
T
, а высокотемператур-
ной с
К
10
10
8
6
−
≈
i
T
.
Высокотемпературная (горячая)плазма состоит практически только из
электронов и ионов, а степень ее ионизации близка к единице.
Важнейшее свойство плазмы — квазинейтральность — проявляется то-
гда, когда линейные размеры занимаемой ею области много больше дебаев-
ского радиуса экранирования
2
1
2
0
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⋅
⋅
⋅
=
e
n
T
k
r
e
д
ε
(2.7)
где
0
ε — диэлектрическая проницаемость вакуума;
k — постоянная Больцмана;
e
T — электронная температура;
12
n — концентрация электронов;
e — заряд электрона.
На расстоянии порядка
д
r
электрическое поле отдельной частицы в
плазме практически исчезает, вследствие «экранирования» частицами проти-
воположного знака. Внешнее электрическое поле способно проникать в
плазму тоже на глубину, не превышающую
д
r
. Экранировка этого поля обу-
словлена появлением в плазме компенсирующих полей пространственных
зарядов. Квазинейтральность может нарушаться вблизи границы плазмы за
счет теплового движения на длину
д
r
.
2.3. Элементарные процессы в плазме
К элементарным процессам в плазме газового разряда относят:
1) ионизацию;
2) диссоциацию молекул на атомы без ионизации;
3) рекомбинацию;
4) упругие соударения с обменом энергии;
5) процессы перезарядки.
Ионизацией называют отрыв части электронов от атомов или молекул,
который может осуществляться несколькими путями:
а) термическим (термическая ионизация);
б) воздействием излучения различных видов (рентгеновское, УФ, лазер-
ное и т. д.);
в) электрическим разрядом.
В технологических плазменных устройствах чаще всего обеспечивается
ионизация в электрических газовых разрядах различного вида.
Механизм ионизации в разряде заключается в образовании электронной
лавины.
Рис. 2.1 Образование электронной лавины
Обязательным условием развития лавины должно быть электрическое
или электромагнитное поле такой величины, чтобы оно сообщало электрону
на длине свободного пробега больше энергии, чем нужно для выбивания из
13
атома еще одного электрона. Такой механизм носит название ионизации элек-
тронным ударом.
Динамическое равновесие большинства элементарных плазменных про-
цессов можно оценить, введя такое понятие как сечение столкновений частиц
в плазме и частота столкновений.
Сечением столкновений σ, имеющим размерность площади, называют
эффективную геометрическую площадь препятствия, которым оказывается
частица — мишень для пучка падающих на нее частиц. Оно зависит от типа
столкновений, относительной скорости ручка, типа взаимодействующих час-
тиц.
В теории плазмы имеют особое значение сечение ионизации
i
σ и сечение
упругих столкновений «электрон — атом» с передачей импульса
m
σ , кото-
рые связаны соотношением
)
(
e
i
m
i
W
f⋅
σ
=
σ
(2.8)
где
)
(
e
i
W
f
— вероятность ионизации или функция ионизации, зависящая от
энергии электрона.
По сути дела
i
f представляет собой число благоприятных для иониза-
ции соударений по отношению к их общему числу. Для различных газов
i
f
различна, и может быть представлена в виде зависимости:
)
exp(
)
(
B
W
W
A
f
i
e
i
e
i
ϕ
−
−
⋅
ϕ
−
=
(2.9)
где
i
ϕ — потенциал ионизации,
эВ
;
А и В — константы, зависящие от рода газа, например, для азота
8
10
8,
7
−
⋅
=
А
,
160
=
В
.
Рис. 2.2 Графики зависимости f
i
(W
e
) для Ar и
2
N
Потенциалы ионизации некоторых газов, используемых в плазменной
технике, имеют величину:
14
Потенциалы ионизации
некоторых газов
Таблица 2.1.
Газ
Ar
N
2
i
ϕ
, эВ
15,8
14,5
Сечение упругих столкновений
m
σ
представляет величину, связанную с
так называемой константой тонкой структуры, полученной из квантовой мо-
дели атома Бора. Эта константа
0
a
равна
м
10
529
,0
10
−
⋅
, а сечение
m
σ
изме-
ряется величиной
2
0
3
1
)
10
10
(
a
m
⋅π
⋅
÷
=
σ
−
−
(2.10)
Частота столкновения электрона с атомом или молекулой
e
ν может
быть вычислена из выражения
e
e
e
l
υ
=
ν
(2.11)
где
e
υ и
e
l
— скорость и длина свободного пробега электронов.
Скорость электрона
e
υ однозначно связана с кинетической энергией
e
e
e
e
kT
m
W
2
3
2
2
=
υ⋅
=
(2.12)
Длина свободного пробега электрона
e
l
определяется длиной свободно-
го пробега молекулы газа
г
l
при соответствующих условиях
г
2
4
l
l
⋅
⋅
=
e
(2.13)
Величина
г
l
для каждого рода газа при определенном давлении может
быть рассчитана из молекулярно-кинетической теории газов.
Так как в большинстве плазменных технологических устройств исполь-
зуются многоатомные газы, одним из результатов столкновительных процес-
сов с молекулами является их диссоциация.
Под диссоциацией понимается расщепление молекулы на более простые
частицы в результате нарушения связи между атомами, происходящее за счет
поглощения молекулой избыточной энергии.
Схематично это может быть представлено:
B
A
AB
+
↔
В конечном счете именно этот процесс ответственен за многие физи-
ко-химические превращения, используемые в различных технологических
задачах.
Для оценки скоростей образования активных частиц, участвующих в
физико-химических процессах в плазме и на поверхности образцов, поме-
щенных в плазму, вводят понятие скорость диссоциации.
В общем случае скорость диссоциации молекул сложных веществ
d
υ
можно определить из соотношения
∫
∞
⋅
⋅
⋅
=
=
d
W
e
e
d
e
e
d
d
dW
W
f
W
n
d
dn
)
(
)
(
ϕ
ν
υ
τ
(2.14)
15
где
d
W — пороговая энергия диссоциации молекул газа, эВ;
)
(
e
W
f
— функция распределения электронов по энергиям;
)
(
e
d
W
ϕ
— вероятность диссоциации, зависящая от рода газа и энергии
электрона и определяемая через сечение диссоциации как
e
d
e
d
n
W
l
⋅
⋅
=
г
)
(
σ
ϕ
(2.15)
Важной характеристикой газового разряда является функция распреде-
ления электронов по энергиям (ФРЭЭ).
В плазме электроны могут получать различные энергии, однако после
возникновения устанавливается их динамическое равновесие. В первом при-
ближении оно может быть описано распределением Максвелла.
Рис. 2.3 График функции распределения электронов по энергиям в плаз-
ме:
1
f — распределение по Максвеллу;
2
f — в сильных полях;
ϕ
d
— вероят-
ность диссоциации.
Однако в конкретных случаях оно может отличаться от распределения
Максвелла и зависеть от внешних условий, в том числе от наличия и харак-
теристики внешних электромагнитных, электрических и магнитных полей.
Из представленных зависимостей видно, что электроны, имеющие энер-
гию
d
e
W
W <
фактически не участвуют в процессах диссоциации и образова-
ния активных частиц. Отсюда следует, что для повышения эффективности
процессов в плазме необходимо либо добиваться сдвига максимума ФРЭЭ
вправо, либо уменьшить пороговую энергию диссоциации
d
W
и увеличивать
вероятность диссоциации
d
ψ выбором конкретных химических соединений.
Кроме процесса ионизации в плазме происходит и процесс нейтрализа-
ции заряженных частиц — так называемая рекомбинация.
16
Вследствие соединения двух частиц с противоположными знаками ре-
комбинация является важным каналом убыли электронов и ионов в плазме.
Рекомбинировать могут положительные и отрицательные ионы, а также
электроны с положительными ионами.
Возможные механизмы рекомбинации
ν
+
→
+
−
+
h
AB
B
A
(с излучением энергии)
ν
+
→
+
∗
+
h
A
e
A
(с излучением энергии)
∗
∗
−
+
+
→
+
B
A
B
A
.
2.4. Взаимодействие частиц плазмы между собой
При использовании плазмы в технологическом оборудовании полупро-
водниковой техники как правило имеют дело с низкотемпературной плазмой,
степень ионизации которой не очень высока.
В силу этого большое значение имеют столкновения между нейтраль-
ными частицами и электронами, а также ионов с нейтральными частицами.
Электрон — электронные и ион-ионные столкновения играют в низкотемпе-
ратурной плазме меньшую роль.
Столкновения между заряженными и нейтральными частиц могут быть
упругими и неупругими.
При упругом взаимодействии частицы обмениваются импульсами. Эти
столкновения описываются законами классической механики.
Неупругие взаимодействия происходят тогда, когда часть энергии стал-
кивающихся частиц переходит на повышение их внутренней энергии. Важ-
нейшими из этих процессов является ионизация и возбуждение.
При упругом взаимодействии электронов с тяжелыми частицами энер-
гия, передаваемая этим частицам, незначительна. С увеличением энергии
электронов эффективное сечение упругого взаимодействия (т. е. величина,
определяющая вероятность взаимодействия) снижается. Примерный вид за-
висимости представлен на рис. 2.4.
Рис. 2.4 Примерный график зависимости σ
упр
(
W
e
):
упр
σ
— эффективное сечение взаимодействия электронов с нейтральными
частицами в плазме,
e
W — энергия электронов.
упр
σ
17
Максимум для большинства частиц достигается при значении
e
W
не-
сколько десятков электрон-вольт.
Из неупругих взаимодействий наибольшее значение имеет ионизация,
так как именно этот процесс является ответственным за поддержание газово-
го разряда. Характерной особенностью зависимости эффективного сечения
ионизации от энергии электронов является наличие пороговой энергии этого
процесса, находящейся в интервале от нескольких эВ до двух десятков эВ
для всех частиц.
σ
упр
Рис. 2.5 Примерный график зависимости σ
упр
(
W
e
) для ионизационного
процесса
2.5. Особенности газового разряда при низком давлении
Развитие и существование постоянного разряда низкого давления в зна-
чительной мере определяется эмиссией электронов с катода. В таких разряд-
ных устройствах применяются горячие, холодные и реже так называемые
плазменные катоды.
При использовании горячих катодов электроны эмиттируются вследст-
вие термоэлектронной эмиссии, и разряд поддерживается при напряжении до
В
100 и больших плотностях тока (до нескольких ампер).
В холодных катодах эмиссия электронов осуществляется за счет их бом-
бардировки ионами и нейтральными частицами. В этом случае разряд горит
при напряжениях от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт. Плот-
ность разрядного тока меньше, чем в устройствах с горячим катодом.
Плазменные катоды характеризуются использованием вспомогательных
разрядов, являющихся источниками электронов.
18
Для плазмы низкого давления характерна рекомбинация электронов и
ионов на стенках разрядной камеры. Длина свободного движения электронов
и ионов при низких давлениях значительно больше размеров камеры. В пе-
риод формирования плазмы электроны, попадающие на стенки, сообщают ей
отрицательный потенциал, поэтому в установившемся режиме электроны
движутся к стенкам в тормозящем поле. Путь до стенки они проходят прак-
тически без столкновений с атомами газа. Движение же положительных ио-
нов происходит в ускоряющем поле. Рекомбинация электронов и ионов на
стенках приводит к спаду концентрации электронов и ионов по направлению
от оси разряда к его границе. Этот градиент концентраций в свою очередь
вызывает диффузионное движение заряженных частиц к стенке. Поскольку
концентрации электронов и ионов равны и достаточно велики, а температура
e
T
больше
i
T
на
3
2
−
порядка, то движение в плазме низкого давления про-
исходит по законам амбиполярной диффузии.
Первичные электроны, из-за большей подвижности чем ионы, главным
образом переносят энергию внешнего электрического поля в плазму разряда.
Можно записать уравнение баланса мощностей в плазме
рек
и
р
в
н
e
P
P
P
P
P
P
+
+
+
+
=
(2.19)
где
e
P — мощность, получаемая электронами от электрического поля4
н
P
— мощность, расходуемая электронами на нагрев газа;
в
P
— мощность, расходуемая на возбуждение атомов;
р
P
— мощность, уносимая из разряда радиацией (тепловой и световой);
и
P — мощность, расходуемая на ионизацию;
рек
P
— мощность, выделяющаяся на стенках при рекомбинации.
При низких давлениях основная доля энергии электронов расходуется на
ионизацию. На нагрев и возбуждение атомов расходуется около %
5
энергии.
Для достижения высокой плотности носителей заряда при низкой затра-
те энергии на получение одного иона необходимо уменьшить потери носите-
лей заряда и энергии. Один из способов ограничения утечки электронов со-
стоит в том, что подают достаточно высокий отрицательный потенциал или
сами стенки включают катодом. Этот принцип устойчивого поддержания
плазмы используется, например, в ионных источниках с полым катодом.
Часто стенки разрядной камеры выполняют из диэлектрического мате-
риала (кварца, пирекса, окиси алюминия
3
2
O
Al
).
2.6. Воздействие плазменного потока на обрабатываемый материал
2.6.1. Типы воздействия плазмы на обрабатываемый материал
В основу работы технологического плазменного оборудования, исполь-
зуемого в настоящее время, могут быть положены различные типы воздейст-
вия плазмы на обрабатываемый материал:
19
1) термическое воздействие плазмы на введенные в реакционный объем
материалы и среды;
2) воздействие заряженными частицами высоких энергий (ионами и
электронами);
3) воздействие нейтральными возбужденными в плазме химически ак-
тивными атомами, молекулами и радикалами;
4) воздействие фотонами ультрафиолетового диапазона излучения;
5) комплексное воздействие.
Структурно все вышесказанное может быть упрощенно представлено в сле-
дующем виде:
Рис. 2.6 Типы воздействия плазмы на обрабатываемый материал
Каждый из приведенных типов воздействия определяет назначение со-
ответствующего технологического оборудования и процессов:
— для получения монокристаллов или порошков тугоплавких материа-
лов;
— для осаждения толстых или тонких слоев;
— для очистки поверхности от органических или неорганических за-
грязнений или пленок;
— для травления слоев физическим распылением;
— для травления слоев плазмохимическим способом;
— для полимеризации поверхностных слоев и т. д.
В конкретном технологическом оборудовании может использоваться
плазма с различными сильно отличающимися характеристиками и парамет-
рами. Это может быть либо термическая низкотемпературная квазиравновес-
Низкотемпературная плазма
Воздействие на материал
Термическое
Фотонами
ультрафиолетового
диапазона
Нейтральными
частицами
Заряженными
частицами
∗
R
А
М
+
i
−
i
e
н
i
e
T
T
T
≈
≈
н
i
e
T
T
T
>
>
20
ная плазма с высокой среднемассовой температурой газа, либо холодная не-
равновесная плазма при пониженном давлении с высокой электронной тем-
пературой.
Виды воздействия на обрабатываемый материал могут резко отличаться,
однако в любом случае инструментом воздействия служит плазма газового
электрического разряда либо ее составляющая. Обычно это плазма с контро-
лируемым составом обновляемой газовой среды в замкнутом объеме.
Чаще всего для передачи энергии в плазму используются такие виды
разрядов, которые не вносят загрязнения конструктивных элементов разряд-
ного устройства.
2.6.2. Классификация плазменных технологических процессов по механизму
воздействия на обрабатываемую поверхность
В основе классификации плазменных технологических процессов по ме-
ханизму воздействия на обрабатываемую поверхность лежит выделение трех
основных видов обработки с использованием плазмы:
— ионной;
— плазмохимической;
— ионно-химической (иногда называемой реактивно-ионной).
Вакуумно-плазменная обработка
физическим распылением
энергетическими ионами
химические реакции
активных газовых частиц
с образованием летучих
стабильных соединений
совместное воздействие
химического распыления
и химических реакций
физическое
распыление в плазме
разряда
физическое
распыление в
вакууме
химические реакции в
плазме разряда
химические
реакции в вакууме
совместное
воздействие
физического
распыления и
химических реакций в
плазме разряда
совместное
воздействие
физического
распыления и
химических реакций в
вакууме
Ионно-плазменная
Ионно-лучевая
Плазменная
Радикальная
Реактивная
ионно-плазменная
Реактивная
ионно-лучевая
Ионная
Плазмохимическая
Ионно-химическая
(реактивная ионная)
Рис. 2.7 Классификация плазменных технологических процессов по меха-
низму воздействия на обрабатываемую поверхность
21
Ионная обработка
представляет собой процесс, при котором поверхно-
стные слои твердого вещества подвергаются бомбардировке ускоренными
положительными ионами как правило инертных газов, химически не реаги-
рующими с обрабатываемым материалом. Если обрабатываемый материал
помещен на электродах или держателях, соприкасающихся с плазмой разря-
да, то обработку в таких условиях называют ионно-плазменной. Если мате-
риал помещен в вакуумную зону обработки, отделенную от области плазмы,
то обработка в этом случае называется ионно-лучевой.
При
плазмохимической обработке
основными ответственными за про-
цесс частицами выступают химически активные нейтральные атомы, моле-
кулы, радикалы, часто объединяемые под общим названием
химически ак-
тивные частицы
(ХАЧ), вступающие в химические реакции с поверхност-
ными слоями материалов. Если обрабатываемый материал находится в об-
ласти плазмы разряда, то обработку называют
плазменной
. В этом случае хи-
мические реакции на поверхности материала будут активироваться низко-
энергетическими электронной и ионной бомбардировками, а также фотонной
бомбардировкой. Если материал находится в вакуумной зоне обработки,
обычно называемой в этом случае реакционной зоной и отделенной от облас-
ти плазмы, то обработку производят ХАЧ без активации электронной и ион-
ной бомбардировками, а в ряде случаев и при отсутствии воздействия фото-
нов. Такую обработку называют радикальной.
Ионно-химическая обработка
представляет совместное воздействие фи-
зического распыления и химических реакций с участием ионов различных
веществ и поверхностных атомов материала. Если обрабатываемый материал
находится в области плазмы, то процесс в этих условиях называют реактив-
ным ионно-плазменным. Тогда ХАЧ могут доставляться к поверхности мате-
риала из плазмы разряда или образовываться на поверхности при ударной
диссоциации молекул или нейтрализации атомарных ионов. На поверхность
материала воздействуют также электронная и фотонная бомбардировки.
Если же из объема плазмы с помощью системы вытягивающих, уско-
ряющих или фокусирующих устройств выделяется поток молекулярных или
атомарных ионов, такая обработка носит название
реактивной ион-
но-лучевой
.
В процессах ионно-химической обработки трудно выделить вклад физи-
ческого и химического механизмов, так как физическое распыление активи-
рует поверхность материалов, повышая скорость химических реакций, кото-
рые, в свою очередь, ослабляют химические связи поверхностных атомов,
увеличивая скорость их поверхностного распыления. Так как заметных ско-
ростей физическое распыление достигает при энергиях ионов больше
Дж
10
6,
1
17
−
⋅
(
эВ
100
), то данная энергия ионов, бомбардирующих материал
служит условной границей между процессами ИХО и ПХО. При
эВ
100
<
u
E
обработка будет относиться к ПХО, а при
эВ
100
>
u
E
— к ИХО.
22
2.6.3. Распыление материалов под действием ионной бомбардировки
При падении ускоренных ионов на поверхность образца, последний рас-
пыляется, т. е. эмитирует атомы или молекулы того вещества, из которого он
состоит. Это явление, носящее название
катодное
или
ионное распыление
используется в процессах ионной очистки и получении тонких пленок. Рас-
пыленные частицы снова могут осаждаться на какую-либо поверхность, на
этом и основано получение тонких пленок.
Сам процесс распыления зависит от многих параметров: энергии ионов,
качества поверхности, угла падения ионов на распыляемую мишень и других.
В настоящее время общепризнанным является импульсный (нетермиче-
ский) механизм разрушения поверхности твердых тел под действием ионной
бомбардировки. В этом случае происходит обмен импульсами при столкно-
вениях бомбардирующего иона с атомами решетки и атомов решетки между
собой.
Распыление материалов количественно характеризуется коэффициентом
распыления
k
, который определяется количеством выбитых одним ионом
атомов. Т. к.
k
— статистическая величина, она может выражаться и дроб-
ным числом, и определяется так
i
a
n
n
k =
(2.20)
где
a
n
— число выбитых атомов
i
n — число ионов, бомбардирующих материал.
С ростом энергии бомбардирующих ионов
k
сначала растет, а затем
уменьшается.
Рис. 2.8 Зависимость коэффициента распыления меди ионами Ar от
энергии
При изменении угла падения ионов от
o
0 (нормальное падение ионов)
до
o
90 наблюдается значительное увеличение
k
в области углов
o
o
70
50 −
.
23
Рис. 2.9 Зависимость коэффициента распыления различных материалов
ионами
Ar
при изменении угла падения
Коэффициент распыления растет также с увеличением массы бомбарди-
рующих ионов.
Рис. 2.10 Зависимость коэффициента распыления мишени из меди и
Ag
от атомного номера бомбардирующих ионов
Очевидно, что с увеличением общего тока в пучке число распыленных
частиц растет.
Сами частицы, покидающие мишень под действием ионной бомбарди-
ровки, имеют некоторое распределение в пространстве и распределение по
энергиям, причем средняя энергия существенно больше средней тепловой
энергии при той температуре, при которой происходит распыление.
Число распыленных частиц
N
определяется формулой:
d
p
j
U
U
k
N
i
k
⋅
⋅
−
=
)
(
(2.18)
где
k
— коэффициент распыления;
U
— потенциал анода относительно катода;
24
k
U
— т. н. критический потенциал, равный
В
500
≈
;
i
j
— плотность ионного тока;
d
— ширина темного катодного пространства;
p
— давление.
2.6.4. Физико-химический механизм плазмохимической обработки.
Физико-химический механизм воздействия образующихся свободных
атомов и радикалов на поверхность твердого тела (обрабатываемого мате-
риала) может быть разбит на отдельные стадии, которые помогают выявле-
нию лимитирующей стадии, т.е. стадии, имеющей минимальную скорость и
определяющей скорость всего процесса.
Возможные схемы физико-химических механизмов воздействия плазмы
на обрабатываемый материал представлены на рис.2.11.
а
б
в
Рис. 2.11 Возможные схемы воздействия плазмы на обрабатываемый
материал:
атомы обрабатываемого слоя;
электроны;
ионы;
молекулы реагента;
химически активные частицы;
летучие продукты;
нелетучие продукты;
25
Для всех плазмохимических процессов (ПХП) характерно образование в
плазме разряда свободных атомов или радикалов в результате неупругих со-
ударений электронов с молекулами реагентов. Свободные атомы (кроме
инертных газов) и радикалы, отличающиеся от молекул наличием свободных
(одной или нескольких) валентностей, проявляют вследствие этого высокую
физико-химическую активность. Воздействие же образующихся свободных
атомов и радикалов на поверхность твердого тела может идти несколькими
путями.
При плазмохимической обработке, протекающей по схеме [а], основны-
ми стадиями являются:
— доставка реагентов в зону плазмы;
— диссоциация с образованием ХАЧ;
— доставка ХАЧ к поверхности;
— адсорбция ХАЧ на поверхности;
— гетерогенная химическая реакция с поверхностными атомами с обра-
зованием летучих и стабильных соединений;
— десорбция этих соединений с поверхности;
— отвод продуктов реакции от поверхности и из реакционного объема.
В такой схеме реализуются процессы удаления
фоторезистивных слоев
,
очистки поверхности от неорганических загрязнений
,
шлифовки
и
обработ-
ки поверхностей
и торцов подложек и пластин,
размерного
и
полирующего
травления
,
глубинного травления мезаструктур
и
скрайбирования
пластин.
Возможно протекание процесса по иным стадиям (схема б). Вместо ле-
тучих веществ в результате гетерогенных химических реакций с адсорбиро-
ванными ХАЧ возможно образование нелетучих соединений с высокими
температурами испарения. Следствием этого является необходимость отвода
продуктов реакции только из реакционного объема. По такой схеме прово-
дятся процессы
формирования окислов
(анодирования),
нитридов
и других
соединений в поверхностных слоях материалов.
При протекании процесса по схеме [в] после доставки реагентов в зону
плазмы может осуществляться химическая реакция в газовой фазе с образо-
ванием конечных соединений или их фрагментов. Эти соединения доставля-
ются к поверхности и осаждаются на ней, формируя либо сразу пленку тре-
буемого состава и структуры, пленку-полуфабрикат. Формирование пленки
конечного заданного состава происходит на следующем этапе под действием
электронной или ионной бомбардировки.
По такой схеме проводятся процессы нанесения тонких пленок различ-
ных материалов и полимеризации слоев.
Постадийный анализ процессов, протекающих при взаимодействии
плазмы или ее составляющих в газовой фазе и с твердой поверхностью, по-
могает выделить лимитирующую стадию и по ее скорости оценить скорость
процесса обработки в целом.
26
Как сама лимитирующая стадия, так и ее скорость могут существенно
различаться в зависимости от характера и параметров внешних условий (дав-
ления,. Наличия и характеристик внешних полей, типа электрического разря-
да, конструкции и геометрических размеров реактора и т. д.). а это значит,
что скорость процесса в конечном счете может определяться такими усло-
виями, как газодинамические режимы подвода реагентов и отвода продуктов
реакции, температура поверхности обрабатываемого слоя, концентрация
электронов в плазме
e
n
и вид функции распределения электронов по энерги-
ям (ФРЭЭ), пороговая энергия диссоциации и т. п.
2.6.5. Газовые среды и химические реакции в плазме
В низкотемпературной плазме, используемой для технологических задач
микроэлектроники, большую роль играет образование химически активных
частиц.
Специфической особенностью процессов в плазме является наличие це-
лого ряда одновременно, и большей частью независимо друг от друга проте-
кающих гомогенных и гетерогенных реакций, особенно при использовании
многокомпонентных смесей.
Наиболее распространенными реагентами, применяемыми в производст-
ве ИС для травления пленочных материалов, являются(табл. 2.2).
Газы, используемые в
производстве ИС
Таблица 2.2
Реагент
Агрегатное состояние
4
l
CC
— тетрахлорметан
состояние в баллоне: жидкость
2
2
F
CCl
— дифтордихлорметан
жидкий газ
4
CF
— тетрафторметан
газ
4
l
SiC
— четыреххлористый кремний
жидкость
6
SF
— гексафторид сера
жидкий газ
3
l
BC — трихлорид бора
жидкость
2
2
lC
SiH
— дихлорсилан
жидкий газ
4
SiH
— моносилан
жидкий газ
А также их смеси с
2
O
,
2
N
,
2
H
,
Ar
и др.
Главную роль в образовании активных частиц в плазме играют процессы
диссоциации молекул электронным ударом.
Скорость таких процессов определяется ФРЭЭ, сечением столкновения
электронов, концентрации электронов, которые в свою очередь зависят от
многих технологических и конструктивных факторов.
Физико-химические процессы в плазме очень сложны, что можно про-
иллюстрировать на примере плазмохимического травления кремния и его со-
единений в плазме, содержащей фтор (например в плазме )
4
CF
.
27
Продуктами первичной диссоциации
4
CF
являются:
∗
F
,
∗
3
CF
,
3
CF
,
−
F
,
−
3
CF ,
+
3
CF , и т. д., которые принимают в процессе травления активное уча-
стие.
Кроме этого в плазмохимических реакциях принимают участие и те га-
зы, которые присутствуют в реакционной камере после ее предварительной
откачки или добавляются в реакционные смеси. Причем активироваться и
приобретать способность к химическим реакциям могут и инертные газы (в
том числе
Ar
и
Xe
).
В присутствии углерода и водорода общие уравнения реакций взаимо-
действия с кремнийсодержащими соединениями в плазме, где на ряду с фто-
ром присутствует и кислород, могут быть записаны в виде:
↑
+
↑
+
↑
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
→
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
2
2
6
2
2
4
CO
O
OF
Si
SiOF
SiF
F
O
Si
(2.22)
↑
+
↑
+
↑
+
↑
+
↑
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
→
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
O
H
CO
F
O
OF
Si
SiOF
SiF
F
O
SiO
2
2
2
2
6
2
2
4
2
(2.23)
↑
+
↑
+
↑
+
↑
+
↑
+
↑
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
→
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
O
H
N
CO
F
O
OF
Si
SiOF
SiF
F
O
N
SiO
N
SiH
N
Si
y
x
y
x
2
2
2
2
2
6
2
2
4
4
3
(2.24)
Приведенные уравнения реакций, однако, не отражают в полном объеме
всего многообразия и сложности химических процессов в плазме.
В частности, взаимодействие кислорода с радикалами
∗
3
CF может при-
водить к образованию не только
2
CO , но и CO,
2
COF , F .
Поэтому в настоящее время продолжается интенсивный поиск эмпири-
ческих закономерностей для выявления оптимальных технологических ре-
жимов. Одновременно ведется поиск составов реакционных смесей, обеспе-
чивающих лучшие характеристики: скорость обработки, селективность, ани-
зотропность.
Для этих целей применяются более сложные по составу реагенты, до-
бавляются газы, содержащие в связанном состоянии кислород и т. д.
Существенную роль при химических реакциях в плазменном технологи-
ческом оборудовании играют материалы электродов и стенок реакционной
разрядной камеры. В результате реакций с конструктивными элементами мо-
гут существенно снижаться скорости процессов обработки за счет отвода хи-
мически активных частиц на стенки.
Изучение механизма и характера химических процессов а плазме посто-
янно выдвигает новые требования к конструкции плазменного технологиче-
ского оборудования, в частности:
28
1) необходимость проведения процесса в несколько стадий и создание
для этого многореакторного оборудования;
2) обеспечение откачки несколькими вакуумными системами (предвари-
тельная глубокая откачка и рабочая откачка);
3) необходимость шлюзовой загрузки и выгрузки изделий и т. д.
2.7. Средства и способы устойчивого поддержания плазмы
2.7.1. Виды газовых электрических разрядов
Для создания и поддержания низкотемпературной плазмы в технологи-
ческих плазменных устройствах чаще всего используется газовый электриче-
ский разряд.
Если основную ионизацию газа создают постоянные источники (напри-
мер, источники ультрафиолетового или рентгеновского излучения) и без них
разряд не может существовать, то его называют несамостоятельным.
Как правило в технологических устройствах электронной техники ис-
пользуется самостоятельный разряд. В этом случае процесс поддерживается
внутренними источниками ионизации (например, столкновениями электро-
нов с молекулами и атомами газа, процессами на катоде и т. д.).
Для перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный и обеспе-
чения лавинного пробоя требуется начальная концентрация электронов
eo
n ,
которая может быть получена либо за счет впрыска электронов (так называе-
мый поджиг разряда), либо за счет остаточной ионизации. Поджиг разряда
обычно обеспечивается каким-либо вспомогательным устройством, дейст-
вующим в течение короткого начального отрезка времени. Остаточная иони-
зация обычно является следствием естественных процессов в газовой среде
(например, за счет естественного фона радиоактивности). При наличии пред-
варительной ионизации и соответствующей напряженности поля электрон-
ной лавины и развития и поддержания самостоятельного электрического га-
зового разряда.
Основными формами газовых разрядов являются: тлеющий, дуговой,
искровой, высокочастотный и некоторые их разновидности.
Существование разряда может поддерживаться не только при непосред-
ственном контакте плазмы с электродами (электродный разряд), но и в от-
сутствие такового контакта (безэлектродный).
2.7.2. Разряд постоянного тока
При изменении тока во внешней цепи в простейшей камере с холодными
электродами можно наблюдать различные формы электродного газового раз-
ряда.
Эти формы прослеживаются на характерной вольт-амперной характери-
стике разряда постоянного тока.
29
а
б
Рис. 2.12 Вольтамперная характеристика разряда постоянного тока (б) и
схема его реализации (а)
Область АВ соответствует переходу от таунсендовского разряда (с очень
малой плотностью тока —
2
6
15
см
А
10
10
−
−
−
) к нормальному тлеющему,
при котором эмитирует электроны и покрыта свечением только часть катода.
На участке ВС с возрастанием тока «работающая» область катода увеличива-
ется, а плотность тока сохраняется.
Когда вся поверхность катода начинает эмитировать электроны и по-
крывается свечением, разряд переходит в режим аномального тлеющего
(CD). В этом режиме для повышения интенсивности ионизации и росте тока
необходимо ускорять до больших скоростей электроны увеличением напря-
жения на разрядном промежутке.
С дальнейшим подъемом напряжения ускорение электронов сопровож-
дается существенным ускорением ионов, которые начинают бомбардировать
катод. Катод разогревается и возникает заметная термоэлектронная эмиссия.
Напряжение, необходимое для поддержания разряда, уменьшается, ток суще-
ственно растет, разряд переходит в сильноточную дугу с падающей характе-
ристикой.
В дуговом разряде основным процессом генерации ионов и электронов
становится термическая ионизация.
Тлеющий и дуговой разряд имеют существенные отличия. Они отлича-
ются, прежде всего, процессами на катоде. В тлеющем разряде эти процессы
связаны с выходом электронов под действием ионной бомбардировки, в ду-
говом — с термоэлектронной эмиссией.
30
Для тлеющего и дугового разряда существенно различаются распреде-
ления потенциала в межэлектродном промежутке.
Основные зоны тлеющего разряда и падение напряжения вдоль оси раз-
рядного промежутка имеют вид:
Рис. 2.13 Основные зоны тлеющего разряда и падение напряжения вдоль
оси разрядного промежутка
Зоны 1, 2, 3 образуют катодную область разряда.
Область 1 называется темное кружево или темное катодное пространст-
во. В этой области наблюдается основное падение потенциала, вызванное
большой концентрацией ионов на границе областей 1 и 2.
В области 1 происходит значительное ускорение электронов и ионов.
Ионы направляются к катоду, где происходит взаимодействие ускоренных
ионов с материалом катода, в результате которого из катода выбиваются
электроны, которые обуславливают поддержание режима самостоятельного
разряда, а материал катода под действием ионной бомбардировки распыляет-
ся.
В области 2 электроны, набрав достаточную энергию, сталкиваются с
атомами или молекулами остаточного газа. Здесь происходит ионизация и
возбуждение атомов, в результате чего возникает свечение. Эта область но-
сит название области катодного свечения. Именно в этой области образуют-
ся ионы, необходимые для поддержания разряда и дают поток распыленных
атомов вещества катода.
В области 3, называемой Фарадеевым темным пространством, элек-
троны, потерявшие свою энергию в области 2, вновь ее набирают, ускоряясь
в электрическом поле. Энергия электронов в области 3 недостаточна для ио-
низации или возбуждения, поэтому пространство 3 — темное.
В пространстве 4, носящем название положительного столба, происхо-
дит ионизация и возбуждение атомов газа электронным ударом. Концентра-
ция электронов и ионов здесь велика, падение потенциала незначительно,
проводимость большая. Весь положительный столб светится.
31
При сближении электродов область 4 может совсем исчезнуть. Про-
странство 1 при этом остается неизменным. При дальнейшем сближении ис-
чезают пространства 3 и 2 и разряд гаснет.
При уменьшении давления при неизменном расстоянии между электро-
дами увеличивается пространство 1 , так как возрастает длина свободного
пробега. Когда пространство 1 доходит до анода, разряд гаснет.
Для дугового разряда характерные области следующие:
Рис. 2.14 Характерные области дугового разряда
Основными отличиями дугового разряда от тлеющего являются:
1) уменьшение катодного падения потенциала;
2) резкое возрастание силы тока;
3) наличие термической ионизации;
4) шнурование разряда;
5) увеличение свечения и исчезновение темных пространств.
2.7.3. Высокочастотный газовый разряд
При достаточно высокой частоте тока, сравнимой с частотой столкнове-
ний электронов в плазме, возникает особый разряд — высокочастотный.
Он может быть как электродным, так и безэлектродным, и наиболее час-
то используется в технологических плазменных устройствах электронной
техники.
В отличие от разрядов постоянного тока, когда процессы на электродах
во многом определяют их характер, высокочастотные разряды в большинстве
случаев могут существовать без контакта с электродами. Электрическое поле
32
настолько быстро изменяет свое направление, что заряженные частицы не
успевают выйти на электроды или на стенки разрядной камеры. Таким обра-
зом, потери электронов и ионов из разряда существенно снижаются, и в не-
которых случаях разряд может возникать при небольшой напряженности
электрических полей.
Роль вторичной эмиссии в высокочастотных разрядах значительно сни-
жена, так как выбитые из стенок или электродов электроны не способны со-
действовать развитию разряда, за исключением тех, которые выходят в мо-
менты благоприятного направления поля (в фазе с полем).
Параметры высокочастотных разрядов и плазмы (концентрация частиц,
температура разрядов и электронов, напряженность пробойного электриче-
ского поля и т. д.) зависят от рода газа, его рабочего давления, частоты поля,
размеров камеры, в которой зажигается разряд.
В высокочастотных разрядах электроны дрейфуют в виде облака в фазе
с полем и здесь существенную роль играет соотношение между длиной сво-
бодного пробега электрона
e
l и характерными размерами камеры L.
Если
L
e
>>
l
, а частота поля ω меньше частоты соударений
e
ν , то час-
тицы за полпериода могут долетать до стенок и вызывать вторичные процес-
сы.
С повышением частоты ω амплитуда колебаний частиц становится
меньше размеров камеры, ионизация происходит только в объеме, потери
частиц связаны только с диффузией, рекомбинацией, прилипанием электро-
нов (в электроотрицательных газах) или химическими процессами, иначе го-
воря, только с объемными процессами.
Если давление газа не слишком велико или частота ω настолько велика,
что превосходит частоту соударений электронов (
e
ν
>>
ω
), то дрейф частиц
отсутствует: они движутся почти свободно. Если еще дальше повышать час-
тоту ω, пока длина волны не станет соизмеримой с размерами камеры, то на
электроны воздействует уже не сосредоточенное поле, а электромагнитная
волна. Разряд тогда называют сверхвысокочастотным (СВЧ-разряд).
Время
e
τ , за которое электрон полностью потеряет при столкновениях
приобретенную энергию, можно определить соотношением
1
=
τ⋅
δ⋅
ν
e
e
или
e
e
ν⋅
δ
=
τ
1
(2.25)
где δ — доля энергии, теряемой при одном столкновении.
Тогда возможны два случая развития разряда.
33
Рис. 2.15 Возможные случаи набора энергии электронами в ВЧ-разряде
На рис. 2.15 представлены возможные случаи набора энергии электро-
нами в ВЧ-разряде:
а— изменение напряженности электрического поля от времени τ;
б — набор энергии электроном при
2
0
τ
>
τ
e
;
в — изменение энергии электрона при
2
0
τ
<
τ
e
.
В первом случае при
2
0
τ
>
τ
e
(время полупериода изменения поля) воз-
можен набор энергии электронами
e
W за несколько периодов изменения
поля, что облегчает пробой и ионизацию газа. Следует отметить, что измене-
ние энергии электрона следует за изменением квадрата напряженности элек-
трического роля.
Во втором случае при
2
0
τ
<
τ
e
энергия электронов начнет сильно умень-
шаться, они не смогут ионизовать газ и потребуются большие напряженности
поля для развития разряда.
Минимального значения напряженность поля при высокочастотном про-
бое
пр
E достигает в области, где
ω
≈
ν
e
, т. е. когда частота столкновений
электронов порядка круговой частоты электрического поля. В этом случае
достигается наибольшая проводимость плазмы. При высоких давлениях газа
(
e
ν
<<
ω
) зависимость напряженности пробойного поля от частоты не очень
сильная, в то время как при низких давлениях (
e
ν
>>
ω
) для заданного давле-
ния она примерно линейная, т.е.
пр
E пропорциональна ω.
34
Зависимость
пр
E от давления обычно имеет вид типичных кривых, опи-
сываемых законом Пашена для разрядов постоянного тока (рис. 2.16)
Рис. 2.16 Кривая напряженности электрического поля для ВЧ-пробоя
в неоне
Численные значения зависят от рода газа и частоты поля. При наложе-
нии внешних магнитных полей, например, в направлении, перпендикулярном
электрическому полю, условия существования разряда облегчаются. Это
объясняется тем, что описывая винтовые линии на пути вдоль электрическо-
го поля, электрон вынужден проходить большее расстояние, что увеличивает
число его столкновений с молекулами газа на единицу пути.
Высокочастотные разряды (в том числе и СВЧ-разряд) можно разделить
на два типа.
а
б
Рис. 2.17 Типы ВЧ-разрядов
Одни так называемые Е-разряды(рис. 2.17, а), характеризуются тем, что
токи внутри них связаны в внешней цепью через токи смещения, которые
возникают из-за дрейфа облака электронов в фазе с полем. Такие разряды
35
существуют в устройствах между обкладками конденсатора, включенного в
высокочастотный контур, иди во внутренней полости объемного резонатора
или волновода на волне типа
mn
E
. Волны
mn
E
(так же как волны
mn
H )
имеют, кроме поперечных составляющих, продольные составляющие поля.
Другие разряды —
H
(рис. 2.17, б)-типа имеют индуктивную связь с
внешними цепями и существуют в устройствах типа диэлектрических камер,
помещенных внутри катушки индуктивности контура. Плазма образуется
чаще всего в виде кольца,. В котором возникают вторичные кольцевые токи.
СВЧ-разряды
H
-типа обычно зажигаются в резонаторах или волноводах на
волне типа
mn
H
на частотах порядка
Гц
10
10
10
8
−
.
Высокочастотные разряды, используемые в технике реализуются в про-
мышленных устройствах только на разрешенных диапазонах частот, чтобы
не создавать помех радиосвязи. Наиболее часто применяемые диапазоны
следующие:
кГц
440
;
кГц
880
;
МГц
76
,1
;
МГц
28
,5
(с точностью
%
5,
2
±
);
МГц
56
,
13
;
МГц
12
,
27
;
МГц
68
,
40
(с точностью
%
1
±
).
36
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
3.1. Характеристика ультразвука как физического фактора
По совей физической природе ультразвук (УЗ), так же как и слышимый
звук, представляет собой упругие колебания и волны, т. е. чередующиеся во
времени процессы механического сжатия и разрежения, распространяющиеся
в твердой, жидкой и газообразных средах. От слышимого звука ультразвук
отличается лишь частотой. Слышимый звук охватывает диапазон частот от
Гц
16
до
кГц
20
15 −
, а ультразвук — область неслышимых частот от
кГц
20
15
−
до
Гц
10
9
.
Ультразвуковые (звуковые) волны представляют собой механические
упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде,
в отличие от электромагнитных колебаний. Частицы среды, в которой рас-
пространяются УЗК, периодически колеблются около положения равновесия.
Приближенно можно считать, что колебания частиц совершаются во времени
по синусоидальному закону с амплитудой смещения A.
Сгущения и разряжения, которые образуются в среде при прохождении
в ней упругой волны, добавочно изменяют давление по отношению к сред-
нему (статистическому). Эта добавочная переменная часть давления называ-
ется
звуковым давлением
. Его амплитуда, Па :
A
f
с
p
⋅
⋅
⋅ρ
⋅π
= 2
зм
(3.1)
где ρ — плотность среды,
3
м
кг
;
с
— скорость распространения упругой волны (скорость звука), с
м ;
f
— частота колебаний, Гц;
A
— амплитуда смещения, м .
Скорость, с которой материальные частицы совершают упругие колеба-
ния около своих положений равновесия, называется колебательной.
Между колебательной скоростью и звуковым давлением существуют
взаимосвязь, определяемая свойствами среды. Для плоской звуковой волны
взаимосвязь между давлением и колебанием определяется акустическим за-
коном Ома
c
y
p
R
a
⋅ρ
=
=
зм
(3.2)
где
a
R
— акустическое (волновое) сопротивление среды;
y
— колебательная скорость.
Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды,
в которой движется волна:
ρ
=
S
c
(3.3)
где
S
— модуль продольной упругости (модуль Юнга).
37
Из формулы следует, что скорость звуковой волны тем больше, чем жестче и
легче материал среды.
При распространении ультразвуковой волны в среде происходит пере-
нос энергии, которую можно использовать в технологических процессах.
Энергию волны, проходящую в единицу времени через единичную площад-
ку, перпендикулярную распространению волны, называют интенсивностью
ультразвука,
2
м
Вт
:
2
2
2
2
зм
2
2
A
f
с
с
p
I
⋅
⋅
π⋅
⋅ρ
⋅
=
⋅ρ
⋅
=
(3.4)
По мере распространения ультразвуковой волны в среде ультразвук по-
глощается, т. е. его энергия переходит в другие виды энергии, в частности в
теплоту. Интенсивность плоской звуковой волны, распространяющейся
вдоль оси x, убывает с расстоянием как
x
e
⋅α
⋅
−2
, где α — коэффициент по-
глощения звука,
-1
м .
При переходе УЗ-волны из одной среды в другую, если их волновые со-
противления не равны, часть энергии волны отражается от границы раздела
двух сред обратно в первую среду, а остальная часть проходит во вторую
среду. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности па-
дающей, называемое коэффициентом отражения
0
k
, зависит от волновых со-
противлений сред:
2
2
2
1
1
2
2
1
1
0
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅
ρ
+
⋅
ρ
⋅
ρ
−
⋅
ρ
=
c
c
c
c
k
(3.5)
При переходе УЗ-волны из твердого тела в воздух, коэффициент отра-
жения близок к единице. Например, при движении УЗ-волны из никеля в
воздух
99996
,0
0
=
k
, т.е. ультразвук в воздух практически не проходит. Су-
щественно меньшая часть энергии УЗ отражается от границы «твердое те-
ло — жидкость». Например, при движении УЗ-волны их никеля в воду
88613
,0
0
=
k
.поэтому ультразвуковая обработка проводится с использовани-
ем промежуточной рабочей жидкости, с которой контактируют как излуча-
тель УЗ, так и обрабатываемый объект.
3.2. Основные эффекты УЗ-колебаний в среде
Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые
могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов.
Кавитация — нарушение сплошности жидкости, возникающее при дав-
лении ниже некоторого критического значения. При этом происходит про-
цесс образования полостей и пузырьков в ультразвуковом поле во время фа-
зы растяжения, имеющейся в переменном звуковом давлении. Эти полости и
пузырьки аннигилируют (схлопываются) во время фазы сжатия. В зоне схло-
38
пывания кавитационного пузырька возникают большие местные мгновенные
давления, достигающие значений
2
8
7
м
Н
10
10 −
.
Поглощение ультразвуковых колебаний веществом — необратимый про-
цесс, в котором часть энергии превращается в тепловую энергию, другая же
часть расходуется на изменение структуры вещества. Поглощение возникает
вследствие взаимного трения частиц, зависит от свойств вещества и пропор-
ционально квадрату частоты.
Поверхностное трение возникает вследствие движения частиц у гранич-
ной поверхности, разделяющей различные среды. Перечисленные явления
лежат в основе ряда технологических процессов.
Разделение молекул и частиц различной массы в негомогенных суспен-
зиях в звуковом поле зависит от состава суспензий и частоты поля.
Коагуляция заключается в образовании из мелкодисперсных частиц
(дыма, пыли, тумана) значительно более крупных частиц. Движение частиц
при наличии между ними сил притяжения приводит к соударению и в ре-
зультате к их обеднению и укрупнению.
Дегазация жидкостей или расплавов с помощью ультразвуковых коле-
баний происходит вследствие вытеснения газовых пузырьков, которые при-
ходят в движение, объединяются в пузырьки больших размеров и всплывают.
Диспергирование является эффектом, противоположным коагуляции, и
заключается в дроблении вещества и перемешивании его с другими.
3.3. Технологическое использование силового и
физико-химического действия ультразвука
К преимуществам ультразвуковой обработки относятся:
1. возможность получения акустической энергии различными техниче-
скими приемами;
2. широта диапазона технологического применения ультразвука — от
размерной обработки до получения неразъемных соединений (сварка,
пайка и т. д.);
3. простота эксплуатации и автоматизации промышленных установок.
К недостаткам этого метода относятся:
1. повышенная стоимость акустической энергии по сравнению с други-
ми видами энергии;
2. необходимость изготовления специальных установок и аппаратов для
генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распределения.
Рассмотрим примеры технологического использования УЗ в основных
производственных процессах микроэлектроники и радиоаппаратостроения.
Применение УЗ в процессах, основанных на тепломассообмене.
Ультразвук используют для очистки поверхностей твердых тел (деталей,
сборочных единиц, изделий) от загрязнения. Предметы, подлежащие очист-
ке, помещают в ванну, заполненную моющим раствором. Электроакустиче-
ский преобразователь встраивают в дно или стенки ванны либо погружают в
39
раствор. Типовые параметры процесса:
кГц
44
18 −
=
f
,
2
м
кВт
100
5,
2 −
=
I
,
время очистки — от десятков секунд до десятков минут. Кавитационные пу-
зырьки, играющие основную роль в процессе УЗ-очистки, проникают под
пленку загрязнения, разрывают и отслаивают ее.
Применение ультразвука позволяет:
1) значительно ускорить процесс очистки;
2) повысить ее качество (например, при прополаскивании деталей на их
поверхности остается до
%
88
загрязнений, при вибрационной очист-
ке — около
%
55 , при ручной — около
%
20 , а при ультразвуковой —
не более
%
5,
0
);
3) исключить вредный ручной труд;
4) заменить дорогие токсичные либо пожароопасные растворители во-
дой или дешевыми водными растворами.
Ультразвуковую очистку применяют перед сборкой, окраской, нанесе-
нием покрытий и другими операциями. Особенно эффективно применять
ультразвук для очистки деталей, имеющих сложную форму и труднодоступ-
ные места.
Ультразвук можно использовать также и для интенсификации других
процессов, связанных с тепломассообменом: сушка материалов, пропитка
пористо—капиллярных материалов жидкостью (пропитка электрической
изоляции лаком) и т. д.
Применение УЗ для различной обработки твердых хрупких материалов.
Рис. 3.1 Схема УЗ обработки твердых хрупких материалов
Сущность этой обработки состоит в том, что между инструментом 2, ко-
леблющемся с частотой
кГц
44
18 −
и амплитудой
мкм
60
10 −
, и обрабаты-
ваемой поверхностью заготовки 1 подают взвешенные в жидкости (как пра-
вило в воде) зерна абразива 3. Инструмент периодически ударяет по зернам
абразива, которые выкалывают микрочастицы с поверхности заготовки. По-
скольку инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности, то на ней
постепенно образуется углубление, копирующее форму рабочей части инст-
40
румента. Таким образом осуществляется соответствующая операция: выреза-
ние, прошивание, сверление и т. д.
Ультразвуковая размерная обработка в отличие от электроэрозионной
пригодна для обработки как проводящих, так и диэлектрических материалов.
Наиболее эффективна УЗ-обработка при изготовлении деталей и отверстий
сложной формы в изделиях из твердых хрупких материалов (стекло, керами-
ка, алмаз, германий, кремний и т. д.), обработка которых другими методами
затруднена.
Применение УЗ для соединения материалов.
Ультразвук применяется для пайки и сварки металлов.
Ультразвуковая пайка отличается от обычной тем, что жало паяльника
жестко связано через концентратор с электроакустическим преобразователем
и совершает колебания с частотой
кГц
44
18 −
и амплитудой
мкм
20
3 −
.
Ультразвуковые колебания вызывают в расплавленном припое кавитацию,
которая способствует разрушению окисной пленки на поверхности метала.
Чистый метал, обнажившийся при этом, облуживается. Ультразвук позволяет
проводить пайку легкоокисляющихся металлов (например, алюминий) без
специальных флюсов и повысить качество соединений.
Ультразвуковая сварка. При ультразвуковой сварке металлов соединяе-
мые детали прижимаются одна к другой под действием относительно не-
большой силы, направленной по нормали к поверхности их соприкоснове-
ния. По касательной к этой поверхности направлены ультразвуковые колеба-
ния, которые разрушают пленку окиси на поверхности деталей и вызывают в
зоне сварки состояние пластичности или текучести. При этом под действием
нормальной силы детали соединяются.
Сварка происходит без заметного нагрева металла, вследствие чего его
структура в зоне сварки изменяется мало. Ультразвук можно использовать
для сварки листов очень малой толщины (доли миллиметра), при этом требо-
вания к чистоте поверхности снижены.
Применение УЗ для диспергирования коагуляции.
Используются следующие виды ультразвукового диспергирования:
1. образование суспензий (измельчение твердых тел в жидкости);
2. получение жидких аэрозолей (распыление жидкостей в вакууме);
3. получение эмульсий (получение мелких капелек одной из взаимно не-
растворимых жидкостей в среде другой).
Применение ультразвука для получения информации.
Основано на анализе ультразвукового сигнала, прошедшего через иссле-
дуемый объект или отраженного от него. В качестве приемника УЗ чаще все-
го применяют пьезоэлектрические преобразователи. Методы получения ин-
формации при помощи УЗ можно разделить на две группы:
I. Методы, основанные на измерении затухания и скорости распростра-
нения ультразвуковых волн в среде, связанные с зависимостью коэффициен-
та поглощения α и скорости звука c от состава и свойств среды (влагомеры,
измерители содержания примесей и др.).
41
II. Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы
раздела двух сред. Применяют в таких областях, как гидролокация (опреде-
ление положения подводных объектов), дефектоскопия, медицинская диаг-
ностика и др.
42
4. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБ-
РАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
4.1. Понятие и механизм электрической эрозии
Для обработки металлов с высокими механическими свойствами приме-
няется метод размерной обработки при непосредственном использовании те-
плового эффекта электрической энергии — электроэрозионная обработка.
Она основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала
под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая вы-
деляется в канале электроискрового разряда между поверхностью обрабаты-
ваемой детали и элетродом-инструментом, погруженным в жидкую непрово-
дящую среду. Следующие друг за другом импульсные разряды определенной
длительности и формы производят выплавление и испарение микропорций
металла.
Постадийно, физические процессы, протекающие в межэлектродном за-
зоре при электроэрозионной обработке, могут быть представлены следую-
щим образом.
Рис. 4.1 Схема физических процессов в межэлектродном промежутке
при электроэрозионной обработке
По достижении импульсным напряжением u определенного значения
между электродом-деталью 1 в диэлектрической жидкости 2 происходит
электрический пробой. При этом от электрода, который в данный момент яв-
ляется катодом, отделяется стример 3 и направляется к аноду, ионизируя на
своем пути жидкость. В результате этой фазы (ее длительность
7
9
10
10
−
−
−
)
образуется канал сквозной проводимости и сопротивление межэлектродного
промежутка снижается от нескольких мегаом до долей ома (рис. 3.1, а).
Через канал проводимости в виде импульса выделяется электрическая
энергия, накопленная в источнике питания (рис. 3.1, б). при этом происходит
43
электрический разряд 5, длительность которого составляет
4
6
10
10
−
−
−
с, для
которого характерна падающая вольт-амперная характеристика. Разряд про-
ходит искровую и дуговую стадии. Благодаря высокой концентрации энергии
в зоне разряда и приэлектродных областях развиваются высокие температу-
ры. Под их воздействием образуется парогазовая полость 7. В приэлектрод-
ных областях 8 происходит плавление и испарение микропорций металла на
поверхности электрода. В результате развивающегося давления капли жид-
кого металла 6 выбрасываются из зоны разряда и застывают в окружающей
электроды жидкой среде в виде мелких сферических частиц 9 (рис. 3.1, в).
После пробоя электрическая прочность межэлектродного промежутка
восстанавливается. Следующий разряд возникает в другом месте между дру-
гими неровностями поверхностей электродов. При этом электрод-инструмент
получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь.
Выделяющаяся в столбе разряда энергия расходуется на испарение жид-
кости и представляет собой потери энергии. Это обусловило уменьшение
длины межэлектродных промежутков между электродами (
мкм
10
1−
),что
диктуется также условиями техники безопасности по снижению рабочего на-
пряжения установки.
Электрическая эрозия электродов определяется процессами, проходя-
щими в приэлектродных областях на границе разряда, с одной стороны, и
анодом или катодом — с другой.
Поток тепловой энергии, поступающий на граничащую с токопроводя-
щим каналом часть катода, слагается из нескольких составляющих:
1. кинетическая энергия ионов, приобретаемая при их ускорении в зоне
катодного падения потенциала,
к
U ;
2. потенциальная энергия ионов, которые разряжаясь на катоде, отдают
ему энергию ионизации, а отходя от него в виде атома, уносят энер-
гию, равную работе выхода электрона
к
ϕ ;
3. тепловая энергия нейтральных частиц с температурой
ч
Т
, отдающих
мощность
т
Р на единичной площадке.
Суммарный тепловой поток, поступающий на катод:
(
)
т
0
P
eE
A
U
j
q
к
к
u
к
и
к
к
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ε
−
ϕ
−
−
β
=
(4.1)
где
к
j
— плотность полного тока на катоде;
и
β
— доля ионного тока,
к
и
и
j
j
=
β
, здесь
и
j
— плотность ионного тока;
u
A
— энергия ионизации атома;
к
E
— напряженность поля в зоне катодного падения потенциала;
e
— заряд электрона;
44
пов
т
2
3
n
kT
P
u
⋅
=
, где
пов
n
— количество частиц, пропорциональное их дав-
лению в канале, приходящееся на единицу поверхности за с1.
Как следует из этого выражения, износ катода-инструмента, а также
съем с катода заготовки определяются ионным током и мощностью
т
P
.
Поступающий на анод тепловой поток состоит из следующих компо-
нент:
Кинетическая энергия электрона
a
eU
, накопленная им при ускорении
в области анодного падения потенциала
a
U
. Мощность, поступающая на
единицу
поверхности
анода, обусловленная
электронами, равна
(
)
a
и
a
U
j
⋅
β
−
1
(
a
j
— плотность анодного тока).
Энергии, равной
работе выхода электрона
из анода
a
ϕ
, соответствует
мощность на единице поверхности
(
)
a
и
a
j
ϕ⋅
β
−
1
.
Тепловая энергия нагретых нейтральных частиц
, соответствующая
мощности на единице поверхности
т
P
.
Тепловая и кинетическая энергия паров
, исходящих из катодного пятна.
Передаваемая ими удельная мощность
пар
P
растет с повышением температу-
ры плавления материала катода и скорости пара в струе.
Удельные потери энергии
на аноде равны
и
и
j ϕ
, где
и
j
— плотность
ионного тока;
и
ϕ
— работа выхода положительных ионов;
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ε
−
ϕ
ϕ
+
ϕ
=
ϕ
0
a
а
ион
исп
и
eE
(4.2)
здесь
исп
ϕ
— энергия, эВ, достаточная для «испарения» одного атома;
a
E
— напряженность поля в зоне анодного падения потенциала.
Удельный тепловой поток
на анод
пар
т
0
0
P
P
eE
j
eE
U
j
q
a
а
ион
исп
исп
a
a
a
a
a
a
+
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ε
−
ϕ
ϕ
+
ϕ
β
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ε
−
ϕ
+
=
(4.3).
Как следует из выражений для тепловых потоков, поступающих на элек-
троды, интенсивность процесса электрической эрозии определяется тепло- и
электрофизическими свойствами обрабатываемых металлов.
В месте действия импульса тока на поверхности электродов остаются
небольшие углубления — лунки, образовавшиеся вследствие удаления раз-
рядом некоторого количества металла. Параметры лунки (диаметр и высота)
определяются мощностью импульсного разряда, его длительностью и свой-
ствами материала. Таким образом, для лунки диаметром
d
и глубиной
h
можно записать:
)
,
,
,
,
(
а
к
и
a
U
U
A
k
f
d
ϕ
=
(4.4)
)
,
(
1
λ
=
р
C
f
h
(4.5)
где
a
ϕ
— работа выхода электрона из анода;
45
и
A
— энергия ионизации атома (молекулы) среды;
к
U
— величина катодного падения потенциала;
а
U
— величина анодного падения потенциала;
р
C
— удельная теплоемкость;
λ
— коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала.
В процессе электроэрозионной обработки материалов могут изнаши-
ваться оба электрода. Для сохранения электрода-инструмента следует подоб-
рать пару металлов инструмента и изделия, чтобы инструмент не разрушал-
ся; подобрать режим работы источника питания или вообще его параметры
так, чтобы инструмент оставался целым.
4.2. Параметры электрических разрядов
Параметры электрических (как правило импульсных) разрядов в значи-
тельной мере определяют эффект электроэрозионной обработки металлов.
Поскольку при прохождении тока разряда межэлектродный промежуток
имеет малое сопротивление, амплитудные значения тока в импульсах дости-
гают нескольких миллионов ампер, скорость нарастания тока
τd
di
— до
см
A
10
8
, а давление в зоне разряда достигает
2
8
м
Н
10
.
На рис. 3.2 показана форма импульсов тока при электроэрозионной об-
работке.
Рис. 3.2 Форма импульсов тока в межэлектродном промежутке
В составе импульса различают две стадии: рабочую — с импульсом пря-
мой полярности
пр
τ
и холостую — с импульсом обратной полярности
обр
τ
.
Прямой полярностью импульса
считается та его часть, которая вызывает
наибольшее разрушение обрабатываемой детали. Она изображается над осью
абсцисс независимо от ее истинной полярности.
Часть импульса, вызывающая разрушение электрода-инстумента, назы-
вается
обратной полярностью импульса
и располагается под осью абсцисс.
Униполярные импульсы — это импульсы, разрушающие только изделие.
46
Количество импульсов в секунду называется частотой импульсов
и
f
.
Величину, обратную частоте, называют периодом
и
1
f
T =
. Он состоит из
длительности импульса
и
τ
и паузы между импульсами
п
τ
. Отношение пе-
риода импульса к его длительности называют скважностью. Скорость нарас-
тания тока
τd
di
называют крутизной импульса
и
S
; она равна тангенсу угла
ψ наклона касательной к кривой фронта импульса.
Параметрами импульсов также являются максимальные и средние зна-
чения тока и напряжения, максимальная и средняя мощность импульса, а
также его энергия.
Средние значения токов и напряжений в импульсе определяют по фор-
мулам
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
τ
τ
τ
=
τ
τ
τ
=
∫
∫
τ
τ
,
)
(
1
,
)
(
1
и
0
и
ср
и
0
и
ср
d
u
U
d
i
I
(3.6)
где i и
u
— мгновенные значения тока и напряжения.
Действующие значения тока и напряжения за период соответственно
∫
τ
τ
=
T
d
i
T
I
0
2
)(
1
,
∫
τ
τ
=
T
d
u
T
U
0
2
)(
1
(3.7)
Энергия импульса
∫
τ
τ
τ
⋅
τ
=
и
0
)
(
)
(
d
i
u
A
(3.8)
Средняя мощность импульса
и
ср
и
τ
=
A
P
(3.9)
4.3. Сравнительная характеристика технологических возможностей
процессов ЭЭО
Общие преимущества ЭЭО по сравнению с обработкой резанием заклю-
чается в следующем:
1. возможность осуществлять технологические операции, не выполни-
мые другими способами (например, прошивание отверстий сложной
формы и диаметром менее 0,3 мм);
2. возможность обрабатывать проводящие материалы с любыми механи-
ческими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью, хрупко-
стью) инструментом из дешевых, легко обрабатываемых материалов;
47
3. значительно снижается трудоемкость по сравнению с обработкой ре-
занием;
4. отсутствует механическое воздействие на заготовку и инструмент;
5. возможно осуществление механизации и автоматизации с целью глу-
бокого регулирования параметров процесса;
6. снижение отходов.
Однако по сравнению с механической электроэрозионная обработка
имеет ряд существенных недостатков:
1. производительность при такой обработке обычных материалов (стали,
цветных металлов и т. д.) значительно ниже, чем при обработке реза-
нием, а расход энергии выше;
2. для получения высокой чистоты поверхности приходится затрачивать
больше времени, чем, например, при абразивной обработке.
Электроэрозионные методы используются в основном для обработки
твердых материалов и изготовления сложных фасонных деталей.
Электроэрозионная обработка может осуществляться профилированным
или непрофилированным электродом-инструментом (ЭИ).
В первом случае размеры и форма рабочих частей ЭИ определяются в
соответствии с заданной поверхностью изготовляемой детали.
Во втором случае ЭИ имеет простейшую конфигурацию (проволока,
диск или стержень), а его размеры лишь частично связаны с размерами элек-
трода-детали.
4.4. Методы электроэрозионной обработки
К электроэрозионным методам обработки относят:
— электроискровую;
— электроимпульсную;
— высокочастотные электроискровую и электроимпульсную;
— электроконтактную.
При электроискровой обработке используют импульсные искровые раз-
ряды между электродами, один из которых обрабатываемая заготовка (анод),
а другой — инструмент (катод).
Напряжение источника электрической энергии
В
)
200
100
(
−
. Продол-
жительность импульса составляет
мкс
)
200
20
( −
.
В зависимости от количества энергии, расходуемой в импульсе, режим
обработки делят на жесткий или средний - для предварительной обработки и
мягкий или особо мягкий для отделочной обработки. Мягкий режим обра-
ботки позволяет получать размеры с точностью до 0,002 мм при шероховато-
сти 0,63-0,16 мкм.
Производительность обработки составляет от 7,5 до 1900 мм
3
/мин.
Электроискровым методом обрабатывают практически все токопрово-
дящие материалы, но эффект эррозиипри одних и тех же параметрах элек-
трических импульсов различен . Зависимость интенсивности эрозии от
48
свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью.За еди-
ницу принята электроэрозионная обрабатываемость стали (сталь 45), тогда
для твердых сплавов она будет 0,5; титан – 0,6; никель – 0,3; медь – 1,1; ла-
тунь – 1,6; аллюминий – 4 и т.д.
Электроискровым методом целесообразно обрабатывать твердые спла-
вы, труднообрабатываемые металлы и сплавы, тантал, молибден, другие ма-
териалы.
Схемы организации процессов электроискровой обработки.
Электроэрозионная отрезка
Рис. 3.3 Схема организации процесса электроэрозионной отрезки
прямым электродом-инструментом
Электрод-инструмент 2 перемещается со скоростью V
nэu
по отношению
к заготовке. Заготовка неподвижна.
Рис. 3.4 Схема организации процесса электроэрозионной отрезки ленточным
электродом-инструментом
Заготовка 1 перемещается со скоростью V
пз
. Операцию выполняют погруже-
нием в ванну с РЖ.
Электроэрозионное обьемное копирование
49
Рис. 3.5 Схема организации процесса электроэрозионного объёмного
копирования
Обработка производится прямым копированием электрода-инструмента 2 на
заготовку 1 в ванне с рабочей жидкостью с прокачкой или без прокачки её
через каналы 3 в ЭИ. Для стабилизацииобработки используют вибацию
ЭИ(f
ЭИ
), а для повышения точности обработки – осцилляцию (V
О.ЭИ
) в про-
цессе преремещения электрода в направлении заготовки (V
П.ЭИ
).
Электроэрозионное прошивание
Рис. 3.6 Схема организации процесса электроэрозионного прошивания пря-
мым электродом-инструментом
Подача электрода-инструмента со скоростью V
П.ЭИ
относительно заготовки и
вибрация с частотой f
ЭИ
.
50
Рис. 3.7. Схема организации процесса электроэрозионного прошивания
изогнутым электродом-инструментом
Обработка производится прямым копированием в ванне с РЖ с одно-
временной прокачкой её через электрод-инструмент или без прокачки.
При электроимпульсной обработке используют электические импульсы
большой длительности (500-1000 мкс.), в результате чего происходит дуговой
разряд.
Большие мощности импульсов получаемых от электонных или машин-
ных генераторов тока, обеспечивают высокую производительность поцесса
обработки.
Электоимпульсная обработка поизводится при напряжениях генератора
импульсов U=18-36 В.
При жлектроимпульной обработке съем металла в единицу времени в 8-
10 раз больше, чем при электроисковой обработке, однако точность размеров
и шероховатость обработанных поверхностей ниже.
Высокочастотная электроискровая обработка применяется для повыше-
ния точности и уменьшения шероховатости поверхностей, обработанных
электроимпульсным методом. Метод основан на использовании электриче-
ских импульсов малой мощности при частоте 10-150 кГц.
Поляность включения электрода-инструмента и заготовки – прямая.
Точность поверхности ниже, чем при электроискровой обработке.
51
5. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
5.1. Технологические особенности электронно-лучевого нагрева
Электронно-лучевой нагрев применяется для выполнения следующих
технологических операций:
1. получение отверстий, резка металлов, диэлектриков, синтетических
материалов;
2. получение монтажных соединений в изделиях микроэлектроники;
3. испарение металлов и оксидов с целью металлизации и напыления;
4. сварка узлов электронных приборов, корпусов мощных полупровод-
никовых приборов, герметизация сваркой изделий электроники;
5. сварка тугоплавких и химически активных металлов толщиной от не-
скольких десятых долей миллиметра до десятков и более миллимет-
ров;
6. сварка крупногабаритных (более
мм
100
) изделий ответственного на-
значения из различных металлов, когда необходимо глубокое и узкое
проплавление металла;
7. сварка изделий из разнородных металлов (тугоплавких и обычных), не
удающаяся на воздухе;
8. получение сплавов особо чистых веществ;
9. выращивание монокристаллов и т. д.
С технической точки зрения основными преимуществами электронно-
лучевого нагрева следует считать:
1. возможность в широких пределах плавно изменять удельную энергию
в зоне нагрева;
2. большую удельную мощность (от десятков ватт до нескольких мега-
ватт) в месте взаимодействия электронного луча с обрабатываемым
изделием;
3. возможность управления пространственным положением луча с по-
мощью магнитной системы;
4. возможность использования вакуума как рабочей среды;
5. возможность получения прецизионной (малоразмерной) зоны воздей-
ствия электронного луча на обрабатываемый материал.
К временным недостаткам этого вида нагрева следует отнести:
1. необходимость обеспечения высокого вакуума в электронной пушке;
2. сложность изготовления, эксплуатации и высокую стоимость элек-
тронно-лучевого оборудования.
В нагревательных установках с использованием электронного луча элек-
тронный луч представляет собой направленный поток электронов, перенося-
щий энергию от излучателя электронов к зоне обработки.
Этапами формирования электронного луча являются:
— получение эмиссии свободных электронов;
52
— ускорение электронов электростатическим полем и фокусирование
электронного пучка;
— отклонение луча по необходимой траектории для целей обработки.
Ускоренные электроны приобретают кинетическую энергию, пропор-
циональную их скорости. При торможении высокоскоростных электронов в
веществе происходит переход их кинетической энергии в теплоту вещества
обрабатываемого объекта.
Так как электроны теряют свою энергию при столкновении с молекула-
ми и атомами вещества, то в пространстве рабочей камеры должен поддер-
живаться высокий вакуум, который необходим также для защиты катода
бомбардировки положительным ионами.
5.2. Взаимодействие электронного луча с веществом
Вышедший из катода электронной пушки электрон ускоряется в элек-
трическом поле и приобретает энергию
[эВ]
2
0
2
U
e
m
W
e
e
⋅
=
υ⋅
=
(5.1)
где
e
m ,
0
e — масса и заряд электрона;
U — пройденная электроном разность потенциалов (В).
излучаемые катодом электроны ускоряются в электрическом поле и фор-
мируются электрическими и магнитными полями в электрический луч. Мощ-
ность электронного луча
у
л
л
U
I
P
⋅
=
(5.2)
где
л
I — ток луча, (А);
у
U — ускоряющее напряжение, В.
Удельная мощность в луче и на поверхности обработки
2
л
у
л
л
л
л.уд.
r
U
I
S
P
P
⋅π
⋅
=
=
(5.3)
где
л
S и
л
r — поперечное сечение и радиус луча на обрабатываемой поверх-
ности.
Сформированный электронный пучок проходит через рабочую камеру и
попадает на поверхность обрабатываемого объекта. Скорость электронов при
попадании на поверхность детали
e
у
c
m
2
U
e ⋅
=
υ
(5.4)
При торможении электронов в веществе возникают явления упругих и
неупругих столкновений с атомами вещества. Электроны отдают свою кине-
тическую энергию атомам, что приводит к раскачке кристаллической решет-
ки (нагревание), и потере внутрикристаллических связей (плавление и кипе-
53
ние). Упруго сталкивающиеся электроны многократно отражаются и рассеи-
ваются внутри вещества.
Рис. 5.1 Модель зоны взаимодействия монокристаллического электрон-
ного пучка с веществом: 1. мишень; 2. пучок электронов; 3. зона рассеяния
пучка при столкновениях на малые углы; 4. зона диффузно рассеянных элек-
тронов;
5. область рассеяния электронов при столкновениях на большие углы
(в направлении к поверхности).
Часть электронов отражается от поверхности, формируя рентгеновское излу-
чение (
%
1
...
1,
0
всей мощности). После выделения энергии в поверхностном
слое вещества происходит теплоотдача в глубинные слои. Благодаря высокой
интенсивности потока и огромной скорости энергии в вещество, развиваются
очень высокие температуры (выше температур кипения металлов). Расстоя-
ние, пробегаемое тормозящим электроном в веществе очень мало, и для элек-
тронов с энергией
эВ
100
5 −
может быть определено по формуле Шонланда
ρ
⋅
⋅
⋅
=
−
у
U
b
17
10
1,
2
, [м]
(5.5)
где ρ — плотность вещества мишени,
3
м
кг
.
Это расстояние в зависимости от скорости составляет
мкм
30
...
5
. Время тор-
можения при этом составляет
с
10
6
−
≈
. За это время микропорция материала
расплавляется и вскипает.
Возможность получения глубокого проплавления определяется, в ос-
новном, свойствами материала, а не характеристиками источника энергии.
Основное ограничение на источник тепла — он должен быть достаточно ма-
54
лых размеров. Реальные величины —
мм
5,
0
2,
0 −
. По этому принципу тре-
бующая
для
глубокого
плавления
плотность
мощности
равна
2
6
5
см
Вт
10
10 −
.
После вскипания формируется парогазовое облако, выбрасываемое на-
встречу лучу. Луч рассеивается облаком на стенки канала (экранируется от
дна). При этом плавятся стенки и углубления канала не происходит. После
окончания взрыва и рассеивания облака луч проникает на дно углубления и
процесс повторяется. Таким образом, вследствие периодической экранировки
обработка идет в прерывистом режиме
Периодическое смыкание канала проплавления, зависящее от времени
воздействия луча на материал, т. е. от плотности потока, происходит с часто-
той
Гц
20
...
10
.
Варианты формообразования каналов электронным лучом представлены
на рис. 5.2.
Рис 5.2. Варианты формы расплавленного электронным лучом канала в
металле: (1 «мягкий» режим (плотность мощности )
2
4
см
Вт
10
5⋅
— образо-
вание расплавленной лунки; (2 переход к «жесткому» режиму; (3 «кинжаль-
ное» проплавление (
2
6
5
см
Вт
10
...
10
); (4 формирование отверстия в металле
2
6
см
Вт
10
>
.
Важное значение при формировании канала отверстия имеет длина фо-
куса магнитной линзы, т. е. угол сходимости электронного луча в точке фо-
куса. Короткофокусные линзы (угол сходимости
o
10
>
) обеспечивают мень-
шую глубину проплавления, чем длиннофокусные (угол сходимости до
o
o
3
...
2
).
5.3. Технологическое применение электронно-лучевого нагрева
Основные технологические операции электронно-лучевой обработки
можно условно разделить на 4 группы:
55
— плавка (технологические операции плавки в вакууме, локального пе-
реплава);
— испарение (испарение в вакууме, размерная обработка электронным
лучом);
— термообработка (без изменения агрегатного состояния вещества);
— сварка.
Для технологических процессов, связанных с нагревом веществ в элек-
тронно-лучевых установках (сварка, плавка, размерная обработка и т. п.) не-
обходимая удельная мощность электронного луча
0
lg
1
47
3
d
d
d
Т
λ
,
N
S
S
пл
уд
⋅
⋅
⋅
=
(5.6)
где
уд
N — удельная энергия для образования ванны расплава диаметром
S
d ;
S
d — диаметр волны расплава, равный толщине металла,
м
;
λ — коэффициент теплопроводности металла,
K
м
Вт ⋅
;
пл
Т — температура плавления,
K
;
0
d — диаметр участка, на краях которого температура остаётся неизмен-
ной.
Таким образом, основные параметры, определяющие размеры участка,
расплавляемого электронным лучом, определяются теплопроводностью и
температурой плавления.
Плавка
электронным лучом в вакууме применяется в тех случаях, когда
необходимо получить особо чистые металлы.
Переплавляемый материал может быть использован практически в лю-
бой форме (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка).
Важную роль при электронно-лучевой плавке играет вакуум:
1. В вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле
газов, что значительно улучшает его механические свойства, особенно пла-
стичность. Многие сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия и других
химически активных металлов получили промышленное применение только
благодаря тому, что их выплавляют в вакууме.
2. Некоторые из вредных примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при на-
греве в вакууме разлагаются, при этом происходит вакуумное рафинирование
переплавляемого металла.
3. При плавке металла в вакууме непрерывно происходит удаление газо-
образных продуктов из зоны реакции, вследствие чего равновесие химиче-
ских реакций
CO
Me
C
MeO
+
=
+
сдвигается вправо, т. е. резко интенсифи-
цируются раскислительные реакции. Это повышает качество выплавляемого
в вакууме металла, значительно снижает в нем содержание газов и прежде
всего кислорода.
56
Рис. 5.3. Схема ЭЛУ для переплавки порошка:
1 – электронная пушка; 2 – переплавляемый порошок; 3 – электронный луч; 4 - переплавляе-
мый слиток; 5 - водоохлаждаемый кристаллизатор
Рис. 5.4. Схема ЭЛУ для переплавки металлолома:
1 – электронные пушки; 2 – электронные лучи; 3 – переплавляемый металлолом; 4 – водо-
охлаждаемая форма
57
Рис. 5.5. Схема ЭЛУ для выращивания монокристаллов:
1 – электронная пушка; 2 – затравка; 3 – монокристалл; 4 – электронный луч;
5 – расплав переплавляемого материала; 6 – переплавляемый материал;
7 - водоохлаждаемый тигель
Рис. 5.6. Принципиальная схема электронно-лучевой испарительной установки
Переплавляемый металл (рис. 5.3 — 5.4)в виде порошка, гранул или
мелкого металлолома подается в установку, где он подвергается обработке
одной или несколькими пушками.
58
Электронно-лучевая плавка удобна при выращивании монокристаллов
(рис. 5.4), когда на затравку 2 наплавляется материал 5 из тигля 7 и вытягива-
ется с заданной скоростью вертикально вверх с получением монокристалла 3.
В промышленности применяют электронно-лучевую плавку с после-
дующей заливкой в вакууме литейных форм. На различных ЭЛУ для плавки в
вакууме при давлении
7
4
10
10
−
−
−
Па получают слитки массой до 20 т.
Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с помощью элек-
тронного луча дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости
кристаллизации металла в зоне плавления. Образующиеся при этом структу-
ры значительно отличаются от структур, получаемых в обычных условиях:
расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается
микроструктура, значительно повышаются пластичность и твердость.
Такое поверхностное оплавление материала называют «облагораживаю-
щим», что позволяет для изготовления ответственных конструкций с высо-
кими показателями износостойкости использовать недорогие исходные ме-
таллы и сплавы.
Испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом ши-
роко используют для получения тонких пленок. В отличие от других спосо-
бов испарения, где энергия подводится к испаряемой поверхности через
стенку тигля или высокотемпературный нагревательный элемент, при элек-
тронно-лучевом испарении осуществляется прямой нагрев поверхности испа-
ряемого материала. Это позволяет испарять материалы из воды охлаждаемых
тиглей, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплав-
кими материалами.
При электронно-лучевом испарении удается управлять электронным
пучком в пространстве и во времени, регулируя тем самым интенсивность
ввода энергии в испаряемое вещество, а следовательно, и скорость испарения
и распределение плотности потоков пара.
Электронно-лучевое испарение применяют в микроэлектронике для на-
несения различных металлических покрытий на стальную ленту, для изготов-
ления фольги из псевдосплавов сложного состава. Электронным лучом мож-
но испарять с последующим осаждением на подложку различные неметалли-
ческие материалы: диоксид кремния, оксид алюминия, различные виды стек-
ла. Конденсационные покрытия применяют в оптической промышленности и
в различных областях электроники.
Принципиальная схема электронно-лучевой испарительной установки
для нанесения покрытий показана на рис. 5.6. Из бункера 5 испаряемый мате-
риал по желобу 7, приводимому в действие вибратором 6, поступает в водо-
охлаждаемый тигель 9. Траектория электронного луча 3, получаемого с по-
мощью электронной пушки 7, искривляется отклоняющей системой 2 в на-
правлении испаряемого вещества 8. В результате воздействия луча 3 на веще-
ство оно испаряется, частицы пара поднимаются вверх и оседают на поверх-
ности подложки 4, образуя плотную пленку. Применение отклоняющего маг-
59
нитного поля позволяет располагать электронную пушку 1 практически в
любом удобном месте.
С помощью размерной обработки заготовки электронным лучом в ней
получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров или заданный
контур. Размерная обработка основана на том, что при достаточно большой
удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого ма-
териала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с по-
током пара выбрасывается из зоны обработки. Строгое дозирование подво-
димой энергии осуществляется импульсным воздействием электронного луча
на поверхность или его перемещением по поверхности с заданной скоростью.
Можно выделить три режима размерной электронно-лучевой обработки:
1. Моноимпульсный режим — обработка ведется одиночным импуль-
сом, т. е. отверстие получают за время действия одного импульса.
2. Многоимпульсный режим — отверстие получают воздействием на за-
данное место заготовки несколькими импульсами.
3. Режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с
заданной скоростью.
Электронный луч нашел применение в первую очередь для размерной
обработки твердых материалов — алмазов, кварца, керамики, кристаллов
кремния и германия.
Особой разновидностью размерной электронно-лучевой обработки явля-
ется перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных мате-
риалов. Этим способом изготовляют металлические и керамические элемен-
ты фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток
турбин.
Электронно-лучевая термообработка
заключается в локальном нагре-
ве обрабатываемых участков поверхности с целью получения структурных
превращений материала. Она применяется также для отжига материалов в ва-
кууме, повышая их пластичность и очищая поверхность от адсорбированных
газов.
Электронно-лучевая сварка
является одним из самых распространен-
ных технологических применений электронного луча. Ее производят с помо-
щью тонкого пучка электронов, который фокусируется на стыке соединяе-
мых деталей и нагревает их до плавления. Сварочный шов при электронно-
лучевой сварке получается чистым и свободным от газов, оксидов и летучих
примесей. Общее количество энергии, необходимое для расплавления мате-
риала, гораздо меньше, чем при других видах нагрева в процессе сварки. Это
обусловлено высокой концентрацией энергии в фокусе электронного луча.
При электронно-лучевой сварке благодаря высокой концентрации энер-
гии в сварочной зоне сварочный шов представляет собой вытянутый клин с
большим отношением длины зоны расплавления к ее ширине.
В общем случае глубина проплавления электронным лучом может пре-
вышать ширину шва более чем в 20 раз («кинжальное проплавление»). Глу-
60
бина проплавления также зависит от скорости сварки и от температуры пред-
варительного прогрева свариваемого металла.
Установки электронно-лучевой сварки делятся на два основных типа:
низковольтные с рабочим ускоряющим напряжением до
кВ
20
15 −
и высоко-
вольтные, работающие при ускоряющем напряжении
кВ
200
150 −
.
61
6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
6.1. Классификация лазеров
По типу активного элемента существуют следующие разновидности ла-
зеров — оптических квантовых генераторов:
— твёрдотельные с кристаллическим и стеклянным активным элементом;
— полупроводниковые (в частности на арсениде галлия, интимониде индия и
т. д.);
— жидкостные на кристаллах и неорганических растворах;
— газовые лазеры, которые по типу возбуждаемой квантовой системы делят-
ся на атомные, ионные и молекулярные. Последние из них имеют разно-
видности: газостатические, газодинамические и непрерывные.
В технологии, т. е. Для целей обработки материалов, нашли применение
импульсные твёрдотельные и непрерывные газовые лазеры, поскольку они
могут создать необходимую плотность мощности на поверхности материала
для реализации фазовых изменений структуры материала.
6.2. Физические принципы создания лазерного излучения
Атом или молекула — есть квантовые системы, т. е. Элементы микро-
мира, подчиняющиеся законам квантовой электроники, которые характери-
зуются величиной внутренней энергии.
Важнейшим свойством квантовой системы является то, что внутренняя
энергия системы может принимать только определенные дискретные значе-
ния. Каждому из этих разрешённых энергетических состояний соответствуют
дискретные орбиты движения электронов, ядер или молекулы в целом.
Энергетический спектр молекулы сложнее, чем у атома, поскольку воз-
можны колебательные движения атомов относительно друг друга и враща-
тельное движение самой молекулы как целого. Причём электронные уровни
внутри атома далеко отстоят друг от друга, колебательные уровни атомов бо-
лее сближены, вращательные и колебательные уровни молекулы еще более
часты.
Взаимодействие излучения (т. е. электромагнитного поля) с веществом
основано на скачкообразном переходе квантовой системы (атомов или моле-
кул вещества) с одного уровня энергии на другой, причём при поглощении
кванта излучения система переходит вверх (накапливает энергию), а при пе-
реходе вниз (релаксация) — система отдаёт энергию в виде кванта, равную
разности энергетических состояний.
В связи с этим в веществе могут протекать такие процессы взаимодейст-
вия, как поглощение, люминесценция, вынужденное излучение.
Поглощение — уменьшение амплитуды бегущих волн при прохождении
через вещество (среду), обусловленное превращением энергии волны в раз-
62
личные формы внутренней энергии вторичного излучения с иным, чем у пер-
воначальной волны, спектральным составом.
Люминесценция — спонтанный, самопроизвольный переход возбуж-
денного атома с верхнего уровня энергии на нижний. При этом испускается
энергия в виде фотона или другого кванта с частотой ν в соответствии с
формулой
ν⋅
= h
Е
(6.1)
где h — постоянная Планка.
Так как отдельные спонтанные переходы не связаны во времени, то из-
лучение люминесценции не когерентно, т. е. отсутствует пространственная
νh и временная корреляция отдельных электромагнитных колебаний по фазе
и частоте.
При вынужденном излучении возбужденная квантовая система перехо-
дит с верхнего энергетического уровня на нижний, испуская квант νh . Эйн-
штейн высказал предположение, что испускание системой квант можно ини-
циировать внешним квантом с энергией, соответствующей разности между
основным и возбужденным состоянием квантовой системы. В результате ге-
нерируются два кванта с одинаковой частотой, распространяющиеся в одном
направлении, т. е. неотличимые друг от друга.
Поскольку вынужденные переходы совершаются одновременно и час-
тоты квантов равны, то излучение когерентно, монохроматично и распро-
страняется в узком телесном угле.
6.3. Принцип работы твёрдотельных лазеров
Исторически первым активным лазерным веществом был рубин —
искусственный кристалл розового цвета, состоящий из окиси алюминия
(
3
2
O
Al
— корунд) с добавлением 0,05 % атомов хрома. Наличие хрома и де-
лает кристалл корунда активным лазерным веществом.
Рубин относится к активным веществам с трёхуровневой системой воз-
буждения.
Рис. 6.1 Схема энергетических уровней иона хрома в рубине
63
Для перевода атома хрома с основного уровня
1
E на разрешенный про-
межуточный уровень
3
E (или
4
E ) необходим квант электромагнитной энер-
гии величиной
эВ
5,
3
...
5,
2
. Этой энергией обладают фотоны с длиной волны
мкм
58
,0
...
52
,0
, что соответствует сине-зелёной части видимого спектра. Та-
ким образом, возбуждение рубина можно осуществить излучением лампы —
это оптическая накачка. Время пребывания (время жизни) атома на этом
уровне чрезвычайно мало
c
10
8
−
≈
. Этот уровень — короткоживущий. Атом
спонтанно переходит на более низкий энергетический уровень
2
E , излучая
квант с энергией
эВ
2,
1
...
5,
0
. Этой энергии соответствует длина волны
мкм
2
...
1
, лежащая в инфракрасной части спектра. Вследствие спонтанности
моментов возбуждения и релаксации атома излучённые при этом переходе
кванты некогерентны и энергия их расходуется на нагрев кристалла рубина
(раскачка кристаллической решетки
3
2
O
Al
). Переход можно назвать безизлу-
чательным.
Уровень
2
E является метастабильным. Время жизни его может быть до
мс
3 . Таким образом, на уровне
2
E может находиться одновременно значи-
тельное количество активных центров. При условии накопления более поло-
вины атомов хрома на уровне создаётся инверсия населенности энергетиче-
ских уровней. Переход на основной уровень
1
E совершается вынужденно,
под действием лавинообразного процесса, инициированного первым спон-
танно излученным фотоном. Генерируется световое излучение с длиной вол-
ны
мкм
6943
,0
, когерентное и распространяющееся вдоль оптической оси
кристалла.
Для создания на этом физическом принципе стабильно работающего оп-
тического генератора необходимо выполнить три условия:
1. Создать инвертор населённостей энергетических уровней в активном
элементе.
2. Иметь усиление света внутри рабочего вещества больше порогового
(при низком усилении свет поглощается в кристалле).
3. Сформировать оптическую положительную обратную связь внутри
лазерного генератора.
Первое условие выполняется в процессе взаимодействия активного ве-
щества с излучением накачки.
Второе условие обеспечивается при развитии лавинообразного процесса
вынужденного излучения внутри активного элемента.
Для обеспечения выполнения третьего условия активный элемент раз-
мещается между двумя параллельными зеркалами, поверхности которых
перпендикулярны оптической оси активного элемента. Расстояние между
зеркалами должно быть равно целому числу полуволн генерируемого излу-
чения (
2
λ⋅
=
n
L
). При этом зеркала образуют оптический резонатор, а фаза
64
отраженной волны будет совпадать с фазой падающей (положительная об-
ратная связь). Настройка резонатора позволяет создать оптимальные условия
для генерации только одной частоты излучения, для которой выполняется
условие формирования стоячих волн внутри резонатора, и потери минималь-
ны.
Рис. 6.2 Оптический резонатор: 1 – зеркала; 2 – рабочий стержень
6.4. Параметры излучения твёрдотельного лазера
Основной вид работы — режим свободной генерации. Длительность им-
пульса определяется временем вспышки лампы накачки, которое зависит от
параметров разрядной цепи — ёмкости конденсатора и величины индуктив-
ности. При различных их сочетаниях длительность колеблется от 0,5 до мс
4
.
Лазерный импульс короче вспышки лампы, т. к. нужно некоторое время на
создание инверсии населённостей. При анализе формы импульса можно ви-
деть, что он состоит из отдельных коротких импульсов («пичков»). Это объ-
ясняется тем, что в каждый момент времени в формировании вынужденного
лазерного излучения участвует неконтролируемое спонтанное количество
возбуждаемых активных центров. Отрицательное влияние на технологиче-
ские параметры при прошивании отверстий оказывают пологий задний
фронт лазерного импульса и особенно отдельные пички излучения, находя-
щиеся на спаде импульса. Энергия их недостаточна для испарения материала,
поэтому их присутствие увеличивает количество жидкой фазы и ухудшает
форму отверстия.
Естественным пределом мощности твёрдотельного лазера является пе-
регрев стержня. Однако, если перевести в возбуждение состояние не полови-
ну, а практически все атомы активного вещества, то импульс в активном
элементе мог бы развиться за
c
10
8−
, что повышает мощность до нескольких
мегаватт. Добиться этого можно отключением оптического резонатора на на-
чальном периоде накачки активного элемента (примерно
мс
2
от начала
вспышки лампы) и включением его после этого. Лазер в таком режиме гене-
рирует «гигантский» импульс. Это — режим «модулированной добротности»
резонатора. Достигается он, например, выполнением глухого зеркала в виде
вращающейся призмы полного внутреннего отражения, синхронизированной
со вспышкой лампы. Более надежной схемой является установка внутри ре-
зонатора прозрачной кюветы с веществом, изменяющим свои оптические ха-
65
рактеристики (например, коэффициент преломления для плоскополяризован-
ного излучения) при изменении электрического потенциала (ячейка Керра,
Поккельса). Это электрооптические затворы, обладающие высоким быстро-
действием.
Существует еще одно естественное ограничение мощности рубинового
лазера —наличие затухания света в самом кристалле. Поэтому максимальная
длина его не может превышать
см
60
.
Распределение энергии в поперечном сечении луча аппроксимируется
гауссоидой, т. е. имеет колоколообразную форму. Ближе к оси интенсивность
излучения выше благодаря максимальному усилению света вдоль оси резо-
натора, где условия формирования пучка вынужденного излучения лучше,
чем на периферии стержня из-за наличия лучей, направленных под углом к
оптической оси резонатора.
Вследствие интерференции световых луче, направленных под неболь-
шим углом к оси из-за неточной установки зеркал, возможно появление не-
скольких максимумов в пятне лазерного излучения. Это явление называется
многомодовой генерацией.
Примеры конфигураций поля для различных поперечных мод и соответ-
ствующие им картины распределения интенсивности лазерного излучения
имеют вид
Рис 6.3 Примеры конфигураций поля для различных поперечных мод и
соответствующие им картины распределения интенсивности лазерного
излучения(
n
m
TEM
,
- мода: где m, n — число минимумов излучения в пятне
генерации, подсчитываемых по вертикали и горизонтали)
6.5. Принцип работы газового лазера
Активным веществом здесь является газ или смесь газов. Возбуждение
активных центров газов требует энергии квантов в одних случаях более
эВ
30
...
20
. Этого невозможно достичь, облучая активный элемент светом.
Поэтому носителем энергии возбуждения в газовых лазерах является поток
электронов, генерируемый газовым разрядом. Активная среда газового лазе-
66
ра обычно заключается в стеклянную или кварцевую трубку, торцы которой
закрыты прозрачными окнами. В боковые стенки трубки впаивают электро-
ды, подключенные к источнику питания для создания электрического разря-
да в газе. Активный элемент помещается между зеркалами оптического резо-
натора.
В газах, благодаря их чистому составу, можно весьма точно предсказать
наличие тех или иных лазерных переходов. Ввиду хорошей прозрачности и
чистоты смеси размер активного элемента может достигать многих метров.
Но плотность газов естественно мала и поэтому невозможно получение
большой удельной мощности, т. е. большого числа возбужденных атомов. В
отличие от твердотельных газовые лазеры способны длительное время рабо-
тать в непрерывном режиме генерации.
По типу квантовой системе, является активным центром, они подразде-
ляются на три разновидности:
— лазеры на нейтральных атомах;
— лазеры на ионных переходах;
— молекулярные лазеры.
6.5.1. Лазер на нейтральных атомах
Типичным представителем является гелий-неоновый лазер. Возбужде-
ние активных центров осуществляется электронным ударом газового разряда.
Энергия электрона при соударении с атомом газа будет зависеть от уско-
ряющего напряжения и величины свободного пробега. При развитии разряда
в газовой среде невозможно создать монокинетический поток электронов,
необходимый для возбуждения атома на заданную величину, поэтому речь
идет о вероятности той или иной энергии электрона в газовом разряде.
Рис. 6.4 Схема распределения разрешенных энергетических состояний
атомов гелия и неона
В силу неоднородности энергии электронов в разряде невозможно полу-
чить инверсию населенности атомов неона на метостабильных уровнях
5
E
или
4
E , поэтому промежуточным элементом для передачи возбуждения вы-
67
бран гелий, у которых первые нижние уровни возбуждения
2
E и
3
E доволь-
но точно соответствуют уровням
4
E и
5
E неона. Передача возбуждения от
гелия к неону осуществляется за счет неупругих соударений. После релакса-
ции на уровень
3
E , который является короткоживущим и которая происходит
в результате вынужденного излучения, т. е. лазерной генерации, атом пере-
ходит спонтанно на метастабильный уровень
2
E . Переход сопровождается
люминесценцией (красно-оранжевое свечение, наблюдаемое сквозь боковую
поверхность разрядной трубки). Опустошить быстро уровень
2
E удается
только путем соударений атома неона со стенками трубки (охлаждением).
Вследствие этого максимальный диаметр трубки не должен превышать мм
7
.
Таким образом, гелий выполняет роль катализатора в этой лазерной реакции.
Для реализации такого механизма создания лазерной генерации подоб-
раны технические параметры газовой смеси: соотношение гелия и неона от
1:
5 до
1:
10 и давление гелия
Па
100
, а также установлены напряжение меж-
ду электродами и ток разряда.
Ne
He −
лазер может генерировать на трех длинах волн. Выбор необхо-
димой длины волны определяется созданием условий наиболее вероятного
возбуждения неона на уровень
5
E и настройкой резонатора на длину волны
мкм
6328
,0
. Было установлено. Что замена природного
4
He более легким
изотопом
3
He повышает вероятность возбуждения Ne на уровень
5
E и ре-
лаксацию с уровня
2
E на основной
1
E .
Ne
He −
лазер отличается малым углом расходимости излучения, близ-
ким к дифракционному пределу (около
рад
10
2
4
−
⋅
.) и высокой стабильно-
стью частоты излучения, близкой к
14
10
−
. Вследствие малой мощности излу-
чения (единицы и десятки
мВт
) эти лазеры получили широкое распростра-
нение в измерительной технике и, особенно, в голографии.
6.5.2. Лазеры на ионных переходах
В качестве активного вещества используются возбужденные до состоя-
ния ионизации инертные газы — аргон, криптон. Ионные лазеры имеют сле-
дующие основные особенности:
— высоко расположенные и разреженные энергетические уровни ионов
дают возможность получить лазерную генерацию в сине-зеленой части ви-
димой и ультрафиолетовой областях спектра;
— большая вероятность переходов и высокие параметры насыщения
обеспечивают высокую мощность излучения в непрерывном режиме (до
Вт
500
);
— вследствие необходимости поддерживать высокую плотность ионов
активный элемент работает в напряженном электрическом и термическом
режиме.
68
Ионные лазеры — это наиболее мощные источники непрерывного излу-
чения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра.
Для возбуждения иона аргона на лазерный переход требуется двухсту-
пенчатый процесс. Сначала атом аргона ионизируется, т. е. переходит с ос-
новного состояния нейтрального атома на основное состояние иона (около
эВ
16
) за счет электронного удара. Затем с этого уровня ион требуется возбу-
дить до
эВ
5,
35
, откуда, совершая вынужденный переход на уровень
эВ
33 ,
ион аргона испускает фотон на длине волны около
мкм
5,
0
. Возбуждение в
ионных лазерах требует большой плотности тока
2
см
А
400
...
200
и напря-
жения между электродами кВ
6
.
Технологическое применение ионных лазеров: гравировка, перфорация
и резка тонких листов металлов, подгонка резисторов в микросхемах.
6.5.3. Молекулярные лазеры
Молекула как квантовая система имеет собственный энергетический
спектр колебательных и вращательных уровней. Молекулярные лазеры соз-
давались сначала на переходах между колебательными уровнями молекулы
углекислого газа в чистом
2
CO , а затем на смеси азота, гелия и
2
CO , что по-
зволило резко увеличить его мощность.
Механизм возбуждения
2
CO -лазера:
— электронным ударом;
— передачей возбуждения от азота к
2
CO ;
— за счет каскадного перехода при соударениях на лазерный метаста-
бильный уровень (
эВ
3,
0
) с более верхних после возбуждения элек-
тронами.
Рис. 6.5 Схема колебательного энергетического спектра молекул
2
CO и
азота
Спектр колебательных энергетических уровней молекулы
2
CO лежит
ниже электронных переходов и не требует столь высоких энергий возбуж-
69
дающих электронов, а уровни в спектре расположены значительно чаще (в
десятки раз). Кроме того, расстояния между отдельными колебательными
уровнями равны (эквидистантны). Это обстоятельство позволяет возбуждать
их электронами с разными энергиями, что обусловливает высокий КПД этих
лазеров.
Уровни возбуждения молекулы
2
CO начинается с
эВ
3,
0
и через
эВ
3,
0
повторяются вверх. В силу такой величины энергии возбуждения нагрев газа
приводит к потере инверсии населенностей из-за интенсивных соударений
молекул между собой (температуре
C
500
o
соответствует энергия
эВ
1,
0
). Эта
особенность требует охлаждения активного вещества.
Опустошение нижних уровней за счет соударений молекулы
2
CO с не-
возбужденными молекулами He.
Особенностью
2
CO лазера является:
1) генерация в инфракрасном диапазоне (
мкм
6,
10
=
λ
);
2) высокий КПД (до 60 %);
3) высокая мощность излучения (несколько тысяч кВт в импульсном и
десятки кВт в непрерывном режиме).
В силу генерации инфракрасного излучения возникают трудности с тех-
нической реализацией оптических элементов. Зеркала изготавливают из ту-
гоплавких металлов, линзы и выходные окна — из кристаллов поваренной
соли, германия, арсенида галлия и других материалов.
Разновидностями
2
CO -лазеров являются:
1) отпаянный лазер — герметичная трубка заполнена смесью газов
)5
3(
:)
2
1(
:1
He
:
N
:
CO
2
2
K
K
=
при давлении около кПа
1
;
2) газодинамические
2
CO -лазеры — с прокачкой горячих молекул
2
CO
через теплообменник;
3) лазер с медленной прокачкой (скорость газового потока около
с
м
1
);
4) лазер с быстрой прокачкой (скорость газового потока около
с
м
30
).
6.6. Взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом
Лазерное излучение, падающее на поверхность образца, интенсивно по-
глощается в очень тонком слое
мкм
2
1K
. Выделившееся тепло проникает
вглубь материала за счет теплопроводности. После достижения на поверхно-
сти температуры плавления вглубь материала перемещается фронт расплава.
Появляется жидкая фаза. В результате продолжения облучения начинается
процесс испарения материала с поверхности и формируется лунка. Если по-
зволяет плотность мощности, образуется плазма, экранирующая луч от дна
отверстия.
Из-за кратковременности процесса взаимодействия (
с
10
3−
) испарение
носит характер взрыва. Заключительная стадия формирования лунки может
быть различна.
70
1. При свободной генерации импульс лазера состоит из множества пич-
ков, причем в конце импульса они даже не сливаются друг с другом, энергия
их недостаточна для испарения. Это вредное явление приводит к образование
жидкой фазы после испарения. Появляются наплывы материала на внутрен-
них стенках отверстия.
2. В режиме «модулированной добротности» при генерации лазером ко-
ротких импульсов с крутыми фронтами жидкая фаза на заключительной ста-
дии формирования отверстия не образуется. Форма отверстия получается
близкой к цилиндрической.
6.7. Формообразование поверхностей при обработке отверстий
импульсным лазером
6.7.1. Моноимпульсная обработка. Получение глухих отверстий
Процесс определяется четырьмя факторами:
1) энергией луча;
2) величиной фокусного расстояния линзы;
3) положением точки фокуса линзы относительно поверхности детали;
4) теплофизическими характеристиками материала.
В зависимости от сочетания этих факторов можно сформировать четыре
вида отверстий:
Рис. 6.6 Виды отверстий: а) отверстие цилиндрической формы; б) «бомбар-
дированное» отверстие; в, г) отверстия «конусного» типа
Типовая зависимость параметров отверстия от энергии луча имеет вид
71
Рис. 6.7 Типовая зависимость параметров отверстия от энергии луча
Активный элемент — стекло ниодима; материал заготовки — сталь
ГСА
X
30
;
н
W — энергия накачки.
Незначительное увеличение диаметра отверстия на рис. а) объясняется
преимущественным распространением теплового фронта вглубь материала, и
только при прекращении интенсивного роста глубины энергия импульса на-
чинает обрабатывать стенки канала отверстия.
Влияние фокусного расстояния линзы в основном выражается в измене-
нии диаметра пятна излучения на поверхности заготовки и соответствующе-
го изменения плотности мощности, поэтому зависимости носят такой харак-
тер
Рис. 6.8 Зависимость параметров
D
,L
от фокусного расстояния линзы F
Положение точки фокуса линзы существенно определяет форму отвер-
стия. Возможны следующие положения фокального пятна фокусирующей
линзы относительно поверхности детали.
72
а)
б)
в)
Рис. 6.9 Возможные расположения точки фокуса линзы: 1 — световой
луч; 2 — фокусирующая линза; 3) заготовка.
При
0
F
>
∆
формируются «бомбообразные» отверстия (поз. б) на рис.
типовых глухих отверстий). При
0
F
<
∆
отверстия имеют конусообразную
форму (рис. в) и г) на типовых формах глухих отверстий).
Требуемую плотность мощности излучения для формирования отвер-
стия определяют такие теплофизические характеристики материала, как тем-
пература плавления и испарения, теплопроводность.
6.7.2. Многоимпульсная обработка
Формирование канала отверстия осуществляется за несколько лазерных
импульсов. При повторных импульсах фокус линзы необходимо перемещать
на дно получаемого отверстия. Однако входное отверстие работает как диа-
фрагма, экранируя часть излучения. Целесообразно применять длиннофокус-
ные линзы с малым углом сходимости луча (
o
K3
2
) и использовать лазеры с
небольшой энергией в импульсе (
Дж
15
10
K
). При правильном выборе пара-
метров процесса можно получить отверстие
мм
6,
0
0,4K
∅
и длиной
мм
10
7
K
за
6
5
K
импульсов. Для автоматизации процесса перемещения
точки фокуса возможно применение оптических револьверных головок.
6.7.3. Моноимпульсная обработка. Получение сквозных отверстий
Основное влияние на форму отверстия и наплыва жидкой фазы оказыва-
ет энергия и форма лазерного импульса.
В зависимости от положения фокуса относительно поверхности заготов-
ки, возможно формообразование следующих отверстий:
1. Фокус расположен на поверхности заготовки (
0
F
=
∆
). Форма отвер-
стия близка к цилиндрической. Выброс факела испаряющегося материала
происходит с двух сторон заготовки.
2. Смещение фокуса вглубь металла (
0
F
>
∆
) приводит к образованию
внутренней полости в самой горячей точке канала отверстия (бомбообраз-
ные).
73
3. При дальнейшем смещении фокуса к задней кромке заготовки форми-
руется отверстие с обратным конусом. Основной выброс материала происхо-
дит с обратной стороны.
4. Формирование наклонных отверстий осуществляется направлением
сфокусированного излучения под требуемым углом к поверхности заготовки.
Физический процесс формообразования идентичен получению глухих
отверстий. В некоторых случаях для уменьшения отражения излучения мощ-
ного лазера сначала делается небольшая лунка перпендикулярно поверхно-
сти.
74
7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ
7.1. Приэлектродные процессы в среде электролита
Удаление припуска с заготовки при размерной электрохимической об-
работке происходит под действием электрического тока с среде электролита
между инструментом и заготовкой.
Рис. 7.1 Схема проведения размерной электрохимичской обработки: V
э
-
скорость прокачки электролита; V
u
- скорость перемещения электрода к
заготовке; S -межэлектродный зазор.
В основе этого процесса лежит явление анодного растворения металла,
идущее в электролитах разного состава, например, в водном растворе хлори-
да натрия, нитрита натрия и др. Эти соли дешевы и растворы их безвредны
для окружающего персонала.
Под действием тока погруженный в электролит материал анода раство-
ряется, в виде продуктов обработки поступает в электролит и выносится из
зоны обработки. При этом материал катода не растворяется. На поверхности
электродов в процессе обработки идут следующие реакции:
1) На катоде протекает разложение молекул воды с образованием мо-
лекулярного водорода
Н
2
О + е
→
Н + ОН
-
(7.1)
Н + Н = Н
2
↑
(7.2)
2) На аноде происходит реакция растворения металла с образованием
нерастворимого гидроксила, выпадающего в осадок
Ме - ne
→
Me
n+
(7.3)
Me
n+
+ nOH
-
→
Me(OH)n
↓
(7.4)
75
2OH
-
- 2e
→
H
2
O + O
0
(7.5)
О
0
+ О
0
= О
2
↑
(7.6)
Т.е. в результате реакции на катоде выделяется водород, а на аноде кро-
ме нерастворимого гидроксила еще и кислород.
Количественно процесс растворения металла на аноде под действием
тока определяется законом Фарадея
m =
ε
.
Q
( 7.7 )
где m - масса растворенного с анода металла;
ε
- коэффициент пропорциональности, электрохимический эквивалент;
Q - количество электричества, прошедшего через электролит.
Если сила тока J, а время его прохождения
τ
,то
Q=J
.
τ
( 7.8 )
и тогда m=
ε
.
J
.
τ
Электрохимический эквивалент чистого металла (приводится в справоч-
никах) равен
F
n
A
ε
⋅
=
(7.9)
где A - атомная масса; n - валентность; F - 96500-число Фарадея к/Г
.
экв или
26,8 А
.
r/Г
.
экв.
Для сплавов можно рассчитать. При проведении процессов размерной
обработки должно выполняться равенство между скоростью ухода материала
анода и перемещением электрода по отношению к обрабатываемой заготов-
ке.
При равномерном поступательном перемещении электрода инструмента
масса удаленного с анода материала может быть определена по формуле
m = S
1
.
l
.
ρ
( 7.10 )
где S
1
- площадь торца инструмента; l - перемещение инструмента по отно-
шению к заготовке;
ρ
- плотность обрабатываемого материала.
Скорость растворения определяется как
V =l/
τ
( 7.11 )
и тогда, сопоставляя (2) и (3) получим
76
ρ
ε
j
v
−
=
( 7.12 )
где j - плотность тока.
Или
/
s
ρ
u
σ
ε
v
⋅
⋅
⋅
=
( 7.13 )
где
σ
- удельная проводимость (электропроводность зазора); u - величина на-
пряжения на зазоре.
( U ) и (
σ
) вводятся из соотношения
I=u
.
σ
⇒
u
.
σ
= j
.
S
/
⇒
σ
sj
u
/
⋅
=
(7.14)
I=j
.
S
/
Если зазор s=const, процесс обработки стационарный, если s=var - про-
цесс не стационарный.
Опыт показывает, что количество фактически растворимого металла
меньше, чем это следует из закона Фарадея, т.к. часть количества электриче-
ства расходуется на образование газов, вторичные реакции и т.д. Эти потери
учитываются с помощью коэффициента выхода по току (
η
), следовательно
1
S
ρ
u
τ
ε
η
v
⋅
⋅
⋅
⋅
=
(7.15)
где V - скорость растворения.
Величина (
η
) зависит от плотности тока, материала заготовки, скорости
прокачивания электролита, степени защелоченности электролита и др.
Для раствора NaCl
Для низколегированных сталей при ведении процесса в растворе хлори-
да натрия
η
=0.8…0.85, для жаропрочных сталей
η
=0.85-0.93, для титановых
сплавов
η
=0.83…0.85.
Для раствора NaNO3
При ведении процесса ЭХО в среде нитрата натрия для стали
η
=0.6...0.7,
для алюминиевых сплавов
η
=1.1...1.35. Здесь
η
>1 из-за дополнительного хи-
мического растворения металла.
Для нормального протекания ЭХО необходим интенсивный вынос про-
дуктов обработки из зоны обработки, поэтому электролит прокачивается че-
рез зазор со скоростью, достаточной для выноса твердых и газообразных
продуктов реакции.
В процессе обработки с увеличением напряжения ток изменяется весьма
сложным образом
77
Рис. 7.2 Вольт-амперная характеристика процесса ЭХО
На участке АБ ток с увеличением напряжения растет, но сила тока неве-
лика и эффективность обработки низка, поэтому этот участок практически не
используется.
При дальнейшем росте напряжения ток убывает (Б-В), из-за пассивации
обрабатываемой поверхности, т. е. покрытие ее окисной пленкой. После-
дующий рост напряжения сначала (В-Г) не приводит к изменению тока, пока
толщина оксидной пленки растет, но при дальнейшем увеличении напряже-
ния пленка разрушается и ток растет на участке(Г-Д).Этот участок называет-
ся перепассивной областью и характеризуется повышенным растворением
металла.
Для различных сплавов пассивация наступает при различных напряже-
ниях в зависимости от химического состава металла, состава электролита,
температуры, условия течения электролита и др. При обработке, например,
нержавеющей стали пассивация проявляется очень слабо.
7.2. Выбор режимов проведения процессов обработки металлов
Для улучшения условий растворения и снижения пассивации обрабаты-
ваемого материала в электролит вводят активирующие элементы (бром, йод
и др.). Улучшение растворимости имеет место и при воздействии на зону об-
работки ультразвука.
Важное значение имеет вынос продуктов обработки . Установлено, что
при скорости течения электролита менее некоторой критической, поток не
успевает выносить продукты обработки, что ведет к снижению скорости рас-
творения .
Поэтому скорость течения электролита ( V`э ) должна быть достаточ-
ной для выноса всех продуктов обработки из зазора и находится по уравне-
нию
78
(
)
3
2
2
2
вх
a
2
2
1
2
2
2
2
p
2
/
э
Д
v
s
c
c
Д
ρ
u
σ
ε
η
L
v
k
v
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⋅
⋅
−
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
≥
(7.16)
η
- коэффициент выхода по току;
ε
- электрохимический эквивалент;
σ
-
удельная проводимость ( электропроводность зазора ); u - напряжение в зазо-
ре; s - площадь инструмента;
Здесь: к=4.64 - безразмерный коэффициент;
v - коэффициент кинематической вязкости электролита в пограничном
слое;
L
p
- длина участка детали в направлении течения электролита, на кото-
ром происходит растворение (мм);
ρ
1
- плотность продуктов обработки (по опытным данным составляет
приблизительно ( 2500...3000 )кг/м3);
Д - коэффициент диффузии частиц в электролите;
c
a
= (0.98...0.97) массовая доля продуктов обработки на аноде;
c
вх
= (0.02...0.005) массовая доля продуктов обработки в электролите
при входе его в зазор.
Распределение продуктов растворения в пограничном слое показано на
рис. 7.3.
Рис. 7.3 Распределение продуктов растворения в пограничном слое: с -
распределение концентрации частиц; м - распределение скорости жидкости в
потоке вблизи поверхности обработки
Это уравнение справедливо для плоских горизонтальных электродов, и в
случаях, когда толщина межэлектродного зазора много меньше длины его
кривизны, а скорость выноса продуктов обработки на несколько порядков
превышает скорость их диффузии.
При проведении процесса ЭХО следует учитывать, что при протекании
тока через электролит нагрев жидкости за счет джоулева тепловыделения.
Поэтому при расчете процесса ЭХО необходимо следить чтобы температура
электролита на выходе из зазора не превышала допустимой, т.к. она влияет
на качество обработки.
79
На основе баланса подведенной к электролиту энергии и выделившегося
в нем тепла можно получить уравнение
(
)
вх
вых
p
э
p
2
//
э
T
T
c
ρ
σ
L
j
v
−
⋅
⋅
⋅
⋅
=
(7.17)
где v
э
//
- скорость электролита в зазоре, найденная из условия исключения его
перегрева;
ρ
э
- средняя по длине зазора плотность электролита; с
p
- удельная
теплоемкость электролита; L
p
- длина участка детали; j - плотность тока; T
вых
и T
вх
- температура электролита на выходе из зазора и на входе в него.
Действительная скорость прокачки электролита выбирается максималь-
ной из найденных, т.е. v
э
/
и v
э
//
.
При ЭХО необходимо обеспечить достаточное напряжение ( Uo ) на
клеммах источника тока, чтобы вести процесс с нужной производительно-
стью, и необходимый напор ( Н ) насоса для создания заданной скорости
прокачки электролита.
Требуемое напряжение источника находится из уравнения
U
0
= U +
∆
U
T
+
∆
U +
∆
U
з
(7.18)
где U - напряжение на межэлектродном зазоре;
∆
U
T
- потери напряжения на зажимах и в токоведущих шинах;
∆
U - потери напряжения в двойном электрическом слое в электролите;
∆
U
з
- потери напряжения в заготовке.
Величина
∆
U
T
обычно мала и ею можно пренебречь;
∆
U
з
-учитывается
только в случаи деталей больших размеров.
Таким образом:
U=U
0
-
∆
U
(7.19)
где U - напряжение на межэлектродном зазоре; U
0
- напряжение источника
тока;
∆
U - потери напряжения в двойном электрическом слое.
Величина
∆
U зависит от режима обработки материала заготовки и со-
става электролита, напряжение и др. Среднее значение потерь напряжения в
двойном электрическом слое (на аноде и катоде ) для наиболее распростра-
ненных режимов обработки составляет (2-5)В.
Для увеличения производительности необходимо повышать U, однако
при этом после определенного значения U качество обработки поверхности
снижается, а при U>30 В могут возникать пробои межэлектродного проме-
жутка, что приводит к снижению качества обработки.
ЭХО в оптимальных условиях возможна только при необходимой скоро-
сти прокачки электролита через межэлектродный зазор, которая может быть
получена при достаточном напоре насоса и его производительности (расходе
электролита).
80
Расход Q
н
, создаваемый насосом для прокачки электролита со скоростью
v
э
, определяется выражением
Q
н
=K
н
.
v
э
.
S
(7.20)
где К
н
- 1.5...2.0-коэффициент износа насоса; S - толщина межэлектродного
зазора.
Напор, обеспечивающий необходимую скорость прокачки, находится из
соответствующего уравнения.
7.3. Определение производительности процесса электрохимической
обработки
Производительность ЭХО обработки в различных условиях определяет-
ся следующим образом:
1. При обработке с неподвижным электродом средняя скорость (Vc) раство-
рения анода находится из уравнения
τ
z
v
c
=
(7.21)
где z - припуск на обработку;
τ
- время обработки.
Скорость удаления припуска в реальных условиях здесь составляет
(0.001-0.01) мм/с.
2. В схемах удаления материала при ЭХ резании, прошивании, точении и др.
скорость растворения металла совпадает со скоростью (v
н
) подачи инстру-
мента
1
u
S
ρ
u
σ
ε
η
v
⋅
⋅
⋅
⋅
=
(7.22)
где
η
- коэффициент выхода по току;
ε
- электрохимический эквивалент;
σ
-
проводимость зазора; u - напряжение в зазоре;
ρ
- плотность продуктов обра-
ботки; S
1
- площадь инструмента.
3. При обработке круглых отверстий с помощью центрично расположенного
инструмента
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
ρ
⋅
⋅ρ
⋅σ
⋅ε
⋅η
⋅
=
2
z
z
u
L
v
0
p
u
(7.23)
где
ρ
o
- боковой зазор; z - припуск на обработку.
Информация о работе Физические основы электрофизических технологий