Испарение вещества.

Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
имени академика С.П. Королева
Моделирование механизма
термического испарения
многокомпонентных
растворов в динамическом
испарителе.
Тонкие плёнки впервые были
получены Фарадеем в 1857г.
Далее тонкие плёнки применялись для
физических исследований, и только с
совершенствованием
вакуумного оборудования стало возможно промышленное
производство.
В наше время тонкие плёнки получили широкое распространение
во многих отраслях.
Например: просветляющие покрытия, зеркала,
интерференционные фильтры, электроннолучевые
трубки
и в производстве микроэлектроники, наноэлектроники,
нанопокрытий и нанокристаллографии.
Технология напыления тонких
плёнок.
Три основных этапа:
 Испарение вещества
 Перемещение вещества
 Конденсирование паров
вещества
Испарение веществ и
соединений и сплавов.
Основная проблема:
 Достижение однородных,
точных по составу, при этом
равномерных по толщине
тонких плёнок.
Основные требования к
материалу испарителя.



незначительное (минимально возможное)
давление насыщенного пара при рабочей
температуре;
инертность по отношению к испаряемому
материалу;
обеспечение возможности изготовления
различных конструкции испарителей.
Конструкции используемых
испарителей.
Предлагается принципиально
новая конструкция
динамического испарителя
многокомпонентных растворов.
Динамический испаритель.
2
3
1
4
1. Нагревательный элемент
2. Крышка испарителя
3. Корпус испарителя
4. Испаряемое вещество
Условно работу испарителя
можно разделить на три этапа:
Нагревание.
Испарение вещества.
Колебательные движения крышки
испарителя.
НАГРЕВАНИЕ
Теплопередача от
нагревательного элемента.
Теплопередача осуществляется по средством:
 Теплопроводности
 Теплового излучения
 Конвекция исключена,
 так как процесс происходит в вакууме.
Теплопроводность.
Закон теплопроводности Фурье.
Где
X – коэффициент теплопроводности материала тигля.
S’ – площадь поверхности соприкосновения нагревательной спирали и тигля.
Тепловое излучение.
Закон Стефана Больцмана
Где
σ=5.6704*10-8 Вт/м2К4 константа больцмана.
T – температура нагревательного элемента.
Где
S’’ – площадь поверхности нагревательного элемента.
β – угол направления теплового излучения, направленного на испаритель.
Запишем уравнения теплового
баланса.
Для спирали:
Для тигля:
Для испаряемого вещества:
Вид кривых нагревания
элементов испарителя.
Тспирали
Ттигля
Тматериала
Испарение вещества.
Зависимость давления паров от температуры в общем виде
описывается уравнением:
Lgp=AT-1+BlgT+CT+DT2+E
Справочник оператора по нанесению в вакууме/А.И.Костржицкий,
В.Ф.Карпов, М.П.Кабанченко и др. – М.:Машиностроение, 1991. –176с.
Где A, B, C, D, E – константы, характерные для данного вещества.
При практических расчётах обычно ограничиваются
коэффициентами A, B, E.
Уравнение для атомов Cd и S имеет вид:
Lgp=-17800*T-1+8.77lgT-10.02,
Lgp=-16600*T-1+8.35lgT-9.44
Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. –
М.: АН СССР, 1961. – 396 с.
Скорость испарения.
Скорость испарения Vи, г/(см2с), всех веществ определяется давлением
насыщенных паров p, мм рт. Ст., при температуре испарения Tи,
испарения и молекулярной массой M вещества:
Технология тонких плёнок справочник, под редакцией Л.Майселла, Р.Гленга.
Перевод с английского под редакцией М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. – Москва «Советское радио» 1977.–664с.
Масса газов в испарителе.
Где S’– площадь поверхности испарения.
t’– время испарения , в случае для нашего испарителя t’=T(c)/2
(половина периода).
Зависимость силы давления от
координаты крышки.
x
R=x*tgα
R
α
0 < R <Rиспарителя
Зависимость эффективной площади давления
от координаты:
S*=π*x2*tg2α
Уравнения движения
Запишем, согласно II закону Ньютона, силы
действующие на крышку.
Учитывая зависимость силы давления от координаты получим:
Давление газа действующее на крышку можно выразить из формулы:
Уравнение движения примет вид:
Введём коэффициент:
Результаты численного решение уравнения движения.
Регулировка параметров
испарения с помощью
изменения крышки.
Стехиометрический состав газа внутри
испарителя.
Масса вырывающихся газов.
Скорость вырывающихся газов.
Направление распространения
вырывающихся газов.