Розробка наукових засад моделювання та конструювання удосконалених індукційних випарників
| dc.contributor.author | Цибульский, Леонід Юрійович | |
| dc.contributor.degreedepartment | електронних приладів та пристроїв | uk |
| dc.contributor.degreefaculty | електроніки | uk |
| dc.contributor.degreegrantor | Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" | uk |
| dc.date.accessioned | 2013-12-27T10:26:42Z | |
| dc.date.available | 2013-12-27T10:26:42Z | |
| dc.date.issued | 2013 | |
| dc.description.abstracten | The dissertation for reception of a scientific degree of the candidate of technical sciences on specialty 05.27.02 – vacuum, plasma and quantum electronics. – National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute ", Kiev, 2013. The thesis is devoted to the development of scientific bases of modeling and designing improved induction evaporators. On the base of decomposition of physical processes in the induction evaporator, a complex hierarchical model, where the magnetic field of induction current is described by differential equation in partial derivatives relatively the complex amplitude of magnetic vector potential, is created. The magnetic field distribution is numerically calculated, from which the boundary conditions are founded for determining the current distribution in the elements of the evaporator with the use of the total current equation. The current distribution determines a heat source distribution, which, in turn, is a boundary condition for numerical calculation of non-linear heat-conductivity equation for the stationary problem. As a result, the temperature distribution and heat flows in the loaded crucible as well as integral characteristics of the induction evaporators are determined. It is proved that: - the power, consumed by the loaded crucible at a predetermined average evaporation temperature, does not depend on the frequency of the inductor current in the range 100-500 kHz and is determined by the voltage on the inductor; - in the evaporator with an inductor, whose height is greater than or equal to the diameter, the temperature along the evaporation surface can be considered the same with an error less than 1%. The technique for three-dimensional modeling of mass-transport onto substrate surface with different substrate movement and orientation in space is developed. The mass-transfer is described by integral equations for the functions of flows from the melt surface and the crucible cylindrical walls. The integration limits were set by the proposed equation for a deformed cone. This allowed to analytically determine the dependence of vapor flow pattern and distribution of mass-transfer to the substrate on the evaporator structure with different orientation and movement of the substrate relatively the crucible. It is proposed a method and a crucible with heat-resistive and heat-sink shielding elements that will prevent overflow of the melt through the crucible edge while evaporating metal, which migrates up along the surface of the crucible walls. This gives avoiding electrical discharges in the area of the inductor and the generation of charged particles above the evaporator. The method and the crucible have been successfully tested in the induction aluminum evaporation system. It is proposed to introduce a magnetic field concentrator between the inductor and the crucible, the use of which reduces the likelihood of electrical discharges in the crucible area and provides a non-ionized vapor flow. This allows to deposit metal layers for micro- and nanoelectronic devices by induction evaporation at low energetic level. The influence of evaporator design features on radiation resistance of MOS-structure during their metal deposition processing is determined. The use of the crucible with the heat-resistive and heat-sink shielding elements and the magnetic field concentrator enhances the radiation resistance of MOS-structure relatively the structures processed with a non-shielded evaporator. The conditions for electrical discharging in the induction evaporators with a positive potential of the top turn of the inductor are determined. The effect is studied and realized in a thermo-ionic induction device, which is able to deposit metal films onto the substrate with bombardment by own ions, wherein the fraction of the ions in the depositing material flow reaches 10 %. The hollow-cathode discharge in metal vapor within the crucible of induction evaporator is revealed and investigated. The plasma boundary position inside the crucible is determined on the base of the balance equation for the charged particles in plasma diffusing into the cavity of the crucible. This allows to predict arising the hollow-cathode metal-vapor discharge depending on the induction evaporator design and the crucible loading. The occurrence of hollow-cathode discharge leads to increase the ion fraction in the vapor flow. The arising of non-self-maintaining arc-type discharge in the vapor flow, when a thermo-emission-active insert is set into the upper part of the crucible, the insert is heated above a certain temperature, and a positive potential is applied to the top turn of the inductor, is identified and examined. The effect is realized in the evaporator for metal deposition with bombardment by own ions. | uk |
| dc.description.abstractru | Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.02 – вакуумная, плазменная и квантовая электроника. – Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт », Киев, 2013. Диссертационная работа посвящена разработке научных основ моделирования и конструирования усовершенствованных индукционных испарителей. На основе декомпозиции физических процессов, протекающих в индукционном испарителе, создана его иерархическая комплексная модель, где магнитное поле токов индуктора описывается уравнением в частных производных относительно комплексной амплитуды векторного магнитного потенциала. Численным расчетом устанавливается распределение напряженности магнитного поля, из которого находятся граничные условия для определения из уравнения полного тока распределения тока в элементах испарителя. По распределению тока устанавливается распределение источников тепловыделения, которое является граничным условием при численном расчете нелинейного уравнения теплопроводности для стационарной задачи. В результате устанавливается распределение температуры и тепловые потоки в загруженном тигле и интегральные характеристики индукционных испарителей. Доказано, что: - мощность, потребляемая загруженным тиглем при заданной средней температуре испарения, не зависит от частоты тока индуктора в интервале 100-500 кГц, а определяется напряжением на индукторе; - в испарителе с индуктором, высота которого больше или равна диаметру, температура вдоль поверхности испарения может считаться одинаковой с погрешностью не более 1%; Разработана методика трехмерного моделирования массопереноса на поверхность подложек с различным перемещением и ориентацией в пространстве. Массоперенос описан интегральными уравнениями относительно функций потока с поверхности расплава и стенок цилиндрического тигля. Пределы интегрирования были установлены с помощью предложенного уравнения деформированного конуса. Это позволило аналитически определить зависимость диаграммы направленности парового потока и распределения массопереноса на подложку от конструкции испарителя, при разном ориентировании и перемещении подложки относительно тигля. Предложен способ и тигель с теплорезистивним и теплоотводящим экранирующими элементами, которые позволили предотвратить перетекание расплава через край тигля при испарении металлов, мигрирующих по поверхности стенок тигля. Это позволило устранить электрические разряды в зоне индуктора и генерации заряженных частиц над испарителем. Способ и тигель успешно апробированы в установке индукционного испарения алюминия. Предложено введение в испаритель концентратора магнитного поля между индуктором и тиглем, использование которого приводит к снижению вероятности возникновения электрических разрядов в области тигля и обеспечивает получение неионизованного парового потока. Это позволяет осаждать методом индукционного испарения слои металлизации для микро- и наноэлектронных приборов с низким уровнем энергетического воздействия. Установлено влияние конструкции испарителя во время металлизации МОП-структур на их радиационную стойкость. Применение тигля с воронкообразной верхней частью с теплорезистивным и теплоотводящим экранирующими элементами и концентратором магнитного поля повысило радиационную стойкость МОП-структур относительно структур, которые были металлизированы с помощью неэкранированного испарителя. Определёны условия возникновения в индукционном испарителе электрического разряда при положительном потенциале на верхнем витке индуктора. Эффект исследован и реализован в конструкции термоионного устройства, которое позволяет осаждать металлические пленки на подложки с бомбардировкой собственными ионами, причем доля ионов в потоке достигает 10 %. Обнаружен и исследован полокатодный разряд в парах металлов в тигле индукционного испарителя. На основании баланса заряженных частиц в плазме, диффундирующей в полость тигля, установлено положение границы плазмы внутри тигля. Это позволило прогнозировать возникновение полокатодного разряда в парах металлов в зависимости от конструкции индукционного испарителя и загрузки тигля. Установлено, что возникновение полокатодного разряда позволяет повысить долю ионов в паровом потоке. Выявлен и изучен эффект возникновения и поддержания несамостоятельного разряда дугового типа в паровом потоке при введении в верхнюю часть тигля термоэмиссионно-активной вставки, её нагревании выше определённой температуры и наличии положительного потенциала на верхнем витке индуктора. Эффект реализован в конструкции испарителя для осаждения металлов с бомбардировкой собственными ионами. | uk |
| dc.description.abstractuk | Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.02 – “Вакуумна, плазмова і квантова електроніка”. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2013. Дисертаційна робота присвячена розробці наукових основ моделювання та конструювання удосконалених індукційних випарників. На основі декомпозиції фізичних процесів, що протікають в індукційному випарнику, створена його ієрархічна комплексна модель, де магнітне поле струмів індуктора описується рівнянням в часткових похідних щодо комплексної амплітуди векторного магнітного потенціалу. Чисельним розрахунком встановлюється розподіл напруженості магнітного поля, з якого знаходяться граничні умови для визначення з рівняння повного струму розподілу струму в елементах випарника. За розподілом струму встановлюється розподіл джерел тепловиділення, який є граничною умовою при чисельному розрахунку нелінійного рівняння теплопровідності для стаціонарної задачі. У результаті встановлюється розподіл температури і теплові потоки в завантаженому тиглі і інтегральні характеристики індукційних випарників. Доведено, що: - Потужність, що споживається завантаженим тиглем при заданій середній температурі випаровування, не залежить від частоти струму індуктора в інтервалі 100-500 кГц, а визначається напругою на індукторі; - У випарнику з індуктором, висота якого більше або дорівнює діаметру, температура уздовж поверхні випаровування може вважатися однаковою з похибкою не більше 1 %; Розроблено методику тривимірного моделювання масопереносу на поверхню підкладок з різним переміщенням і орієнтацією в просторі. Масоперенос описаний інтегральними рівняннями щодо функцій потоку з поверхні розплаву і стінок циліндричного тигля. Межі інтегрування були встановлені за допомогою запропонованого рівняння деформованого конуса. Це дозволило аналітично визначити залежність діаграми спрямованості парового потоку і розподілу масопереносу на підкладку від конструкції випарника, при різному орієнтуванні і переміщенні підкладки відносно тигля. Запропоновано спосіб і тигель з теплорезистивним і тепловідвідними екрануючими елементами, які дозволили запобігти перетікання розплаву через край тигля при випаровуванні металів, що мігрують по поверхні стінок тигля. Це дозволило усунути електричні розряди в зоні індуктора і генерації заряджених частинок над випарником. Спосіб і тигель успішно апробовані в установці індукційного випаровування алюмінію. Запропоновано введення у випарник концентратора магнітного поля між індуктором і тиглем, використання якого призводить до зниження ймовірності виникнення електричних розрядів в області тигля і забезпечує отримання неіонізованого парового потоку. Це дозволяє осаджувати методом індукційного випаровування шари металізації для мікро- і наноелектронних приладів з низьким рівнем енергетичного впливу. Встановлено вплив конструкції випарника під час металізації МОН-структур на їх радіаційну стійкість. Застосування тигля з воронкоподібною верхньою частиною з теплорезистивним і тепловідвідними екрануючими елементами і концентратором магнітного поля підвищило радіаційну стійкість МОН-структур відносно структур, які були металізовані за допомогою неекранованого випарника. Визначено умови виникнення в індукційному випарнику електричного розряду при позитивному потенціалі на верхньому витку індуктора. Ефект досліджений і реалізований в конструкції термоіонного пристрою, який дозволяє осаджувати металеві плівки на підкладки з бомбардуванням власними іонами, причому частка іонів в потоці досягає 10 %. Виявлено та досліджено порожнинно-катодний розряд у парах металів в тиглі індукційного випарника. На підставі балансу заряджених частинок в плазмі, що дифундує в порожнину тигля, встановлено положення кордону плазми всередині тигля. Це дозволило прогнозувати виникнення полокатодного розряду в парах металів залежно від конструкції індукційного випарника і завантаження тигля. Встановлено, що виникнення порожнинно-катодного розряду дозволяє підвищити частку іонів в паровому потоці. Виявлено та вивчено ефект виникнення і підтримки несамостійного розряду дугового типу в паровому потоці при введенні у верхню частину тигля термоемісійно-активної вставки, її нагріванні вище певної температури і наявності позитивного потенціалу на верхньому витку індуктора. Ефект реалізований в конструкції випарника для осадження металів з бомбардуванням власними іонами. | uk |
| dc.format.page | 29 л. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/6483 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.status.pub | published | uk |
| dc.subject.udc | 621:389; 621.3.01 | uk |
| dc.title | Розробка наукових засад моделювання та конструювання удосконалених індукційних випарників | uk |
| dc.type | Other | uk |
| thesis.degree.level | candidate | uk |
| thesis.degree.name | кандидат технічних наук | uk |
| thesis.degree.speciality | 05.27.02 – вакуумна, плазмова та квантова електроніка | uk |