Usporedba performansi rotacijskih ciljeva sa srebrnim rukavima i planarnim ciljevima

- Jul 12, 2019-

Usporedba performansi

Rotacijski ciljevi sa srebrnim rukavima sa planarnim ciljevima

 

SAŽETAK

Tanke srebrne folije se koriste kao funkcionalni sloj u mnogim garniturama za toplotno reflektivne primjene. U ovom trenutku, veliki površinski slojevi za oblaganje se proizvode magnetnim raspršivanjem i često iz rotirajućih cilindričnih ciljeva. Inherentne prednosti rotirajuće cilindrične ciljne tehnologije na ravnim katodama su već dobro poznate. Međutim, srebro je i dalje jedna od rijetkih metalnih meta koje nisu lako dostupne u rotirajućoj cilindričnoj verziji. Razlozi za to su troškovi, mehanička čvrstoća i rukovanje.

U ovom radu predložen je novi pristup za realizaciju Ag rotary ciljeva u kojem su cilindrične čaure montirane i pričvršćene na potpornu cijev. Nekoliko cilindričnih konstrukcija se poredi i upoređuje sa ravnim ciljevima. Procijenjeni su parametri procesa i proizvoda kao što su stabilnost procesa, brzina raspršivanja, ujednačenost i kvalitet filma. Razmatran je uticaj toplotnog opterećenja plazme i rezultirajućih termički indukovanih mehaničkih naprezanja na performanse cilja Ag, kako mehanički tako i na procesnom nivou. Ciljevi su evaluirani u različitim fazama njihovog životnog vijeka kako bi se utvrdilo da li je učinak bio stabilan i da li se može pouzdano predvidjeti.

 

UVOD

Srebro se neko vrijeme koristi kao glavni infracrveni reflektirajući film u optičkim premazima. Izvanredna električna i toplotno provodljiva svojstva srebra garantiraju da će srebrne mete brzo prskati i stabilne su u većini tipičnih radnih okruženja. Srebro je prvenstveno proizvedeno i raspršeno u ravnoj formi, prvenstveno zbog činjenice da se proizvodnja srebra odvija u mnogo manjim količinama od bakra, aluminija ili titana. Oprema koja se obično koristi za proizvodnju srebra je mnogo manje značajna po obimu i obimu od onog koji se koristi za druge komercijalne materijale.



EXPERIMENT PROCEDURES

Usporedba dizajna

U skladu sa ciljevima ovog eksperimenta, procenjeni su brojni različiti ciljni projekti kako bi se ispitale prednosti i ograničenja svakog dizajna zasnovanog na onome što bi potencijalni korisnici tehnologije naišli na implementaciju srebrnih rotacionih ciljeva u svojim proizvodnim sistemima.

Procenjena su četiri projekta. Uključili su:

  • Rukavi s vezicama indijuma

  • Mehanički montirane čaure

  • Mehanički montirane čaure povećane termo-provodnom pastom

  • Monolitna cev

Prva tri dizajna su postavljena na standardnu proizvodnu cijev od nehrđajućeg čelika, a posljednja konstrukcija je u cijelosti izrađena od srebra, bez ugrađene podloge.

Ukupni vanjski promjer meta je u svakom slučaju bio 155 mm (6.1 ”) OD. Ciljna dužina bila je 878 mm (~ 35 ”).



Komercijalne atribute i ograničenja

Sistemi rotacionih ciljeva imaju sposobnost da prskaju u većoj brzini od planarnih ciljeva zbog mogućnosti korištenja veće gustine snage. Performanse rotacionog cilja su konzistentnije jer je erozija ujednačenija, kopanje rovova u dužini planarnih ciljeva ograničeno je na rotirajućoj meti do krajeva. Korišćenje je takođe veće za rotacione ciljeve, tipično iznad 80%, dok planarni ciljevi iznose oko 30% prinosa. U oblasti logistike i rukovanja, upotreba mehanički montiranih čaura omogućila bi krajnjem korisniku da ukloni i zamijeni ciljne čaure unutar svog objekta kao dio normalnog ciljnog održavanja. To kupcu daje preciznije težine srebra, zahtijeva manje oslonaca i smanjuje troškove transporta.

Spojeni rukavi ne pružaju prednosti upravljanja, niti se mogu lako ponovo izgraditi unutar objekta kupca. Oni pružaju mogućnost za površinske profile i upotrebu različitih materijala kada je to prikladno za konačnu primjenu.

Monolitna cijev nudi visoku brzinu taloženja, lakoću mjerenja prinosa i ciljne težine, ali ima potencijalna ograničenja u njegovoj mehaničkoj sposobnosti da se proteže dugim dužinama bez odbijanja i ne smanjuje troškove otpreme rukovanja dugim dužinama.


Kontrole i mjerenja

Toplinski dobitak u meti bio je najveća briga eksperimentatora. Intuitivno, dizajn rukava će imati više problema vezanih za toplotnu disipaciju nego čvrste, monolitne dijelove. Prenos toplote kroz prazninu ili preko medija za povezivanje će se takođe razlikovati po brzini. Zbog toga je bilo od velike važnosti mjeriti toplotni dobitak u meti kao funkciju inkrementalnog povećanja primijenjene raspršne snage. Nakon ocjenjivanja i odbacivanja vanjskih optičkih tehnika mjerenja topline, utvrđeno je da je kontaktni termopar najučinkovitiji način mjerenja toplinskog dobitka. Dizajniran je sistem koji uključuje opružnu polugu koja dovodi termopar u čvrsti kontakt sa metom. Kontaktno opterećenje bilo je dovoljno da se napravi žleb za trošenje u svakoj od testiranih cijevi. Slika 1 ilustrira površinu s rezultatima.

Figure 1

Slika 1. Tačka kontakta termoparova

Svaka meta je bila instalirana u sistem i raspršena u rastućoj snazi. Na osnovu modeliranja procesa i povratnih informacija u industriji, postavljen je cilj opterećenja snage 5 kW (na 35 ”ciljeva). To bi omogućilo komercijalno prihvatljivu brzinu raspršivanja da bi se povećala brzina linijske obrade. Da bi se odredila maksimalna granica performansi, svaki cilj je bio pokrenut na rastućim nivoima snage da bi se identifikovali mogući mehanizmi otkazivanja pri povećanim opterećenjima snage.


Arc Measurement

Ponašanje luka je mjereno pomoću vlastitog sustava. U praksi, srebrne mete nisu sklone iskrivljenju zbog njihove visoke provodljivosti i normalno su prskane u metalnom modu. Brojanje lukova za različite konstrukcije naglašava probleme sa električnom provodljivošću ili nestabilnošću plazme.


CONFIGURATION COATING SYSTEM

Coating System

Za testiranje je korišćen jednokomorni sistem (slika 2) sa transportnim sistemom od stakla. Ciljne cevi su postavljene pojedinačno i svaka serija testa je ponovljena. Ciljevi su radili u DC režimu.

Figure 2

Slika 2. Mala testna komora za premazivanje


Komora za gas i pritisak

Argon je korišten za sva ispitivanja sa protokom od 140 sccm. Pritisak komore za sva ispitivanja bio je između 2.0 - 2.3 x 10 -3 mbar.


Protok vode i temperatura

Brzina protoka je merena za svaki test zajedno sa ulaznom i izlaznom temperaturom. Velike promjene temperature vode bi značile dobar prijenos topline. Poređenje razlika na svakom nivou snage pruža uvid u prenos toplote kroz rukavce do podložne cevi do vode.


Magnet Array

Tip magnetnog polja za sva ispitivanja bio je Bekaert AMBV2.1. Ovaj podesivi magnetni niz je tipičan dizajn koji se koristi za nanošenje velikih staklenih površina koje nude paralelnu (tangencijalnu) jačinu polja oko 500 G na ciljnoj površini i ciljno korišćenje od preko 80% u DC i AC režimu. Uključeni ugao između dijelova trkališta je između 30 i 35 stupnjeva.



PARAMETRI S PROCESOM I PROIZVODIMA

Stabilnost procesa

Svaka meta je pojedinačno instalirana i ocijenjena koristeći iste uvjete taloženja. Sledeći parametri su postavljeni kao polazna tačka za sve aspekte eksperimenta.


Tabela 1. Parametri procesa

Parametar

Merenje

Podloga za udaljenost izvora

80 mm

Brzina linije podloge

1 metar po minuti

Broj passe

10

Mjerenje debljine

34, razmaknuti 25 mm


Prozor za prskanje u ovom uređaju za oblaganje bio je sličan tipičnom okruženju stakla na velikim površinama.


Brzina prskanja

Brzina prskanja određena je mjerenjem debljine prevlake na svakom supstratu preko Dektak IIa i izračunavanjem brzine raspršivanja na osnovu brzine linije supstrata i broja prolaza.


Profil odlaganja - uniformnost premaza

Mjerenje debljine provedeno je korištenjem 34 odvojene podloge za mjerenje jednoličnosti premaza po cijeloj širini


Conductive Media

Za dva dizajna koji su ugradili provodni medij za promicanje električne i toplinske provodljivosti između ciljnih čaura i potporne cijevi, korišteni su sljedeći materijali:

Vezna cev - Čisti indijum - MP 156.6◦C, toplotna provodljivost (na 85◦C) .78 W / m◦K

Mehanički sa termalnom pastom - Dow Corning DC340 - maksimalna radna temperatura - 200◦C, toplotna provodljivost .42 W / m◦K



REZULTATI I DISKUSIJE

Tabela 2. Specifične brzine prskanja - nm m / min

Nivo snage (kW)

Bonded

Mehanički

mount

Mehanički

w / termalna pasta

Monolithic

1
27 27 29 27
2.5 70 - 70 70
3.8 - - 108 -
5 135 - 140 140
7.5 198 - 202 200
10 - - 268 254


Tabela 3. Toplinsko opterećenje - ciljna temperatura površine - .C

Nivo snage (kW)

Bonded

Mechanical mount

Mehanička w / termalna pasta

Monolithic

1
33.3

260 i povećava

32-34.5

32. \ t
2.5 44 -

42-44.3

38.8
3.8 - -

46.5-52.2

-
5 59.5 -

61 - 65.9

51. \ t
7.5 90 - - 63
10

> 200 i povećava se

-

111.5

89


Tabela 4. Maks. Promjena temperature vode - --C -

 

Nivo snage (kW)

Bonded

Mechanical mount

Mehanička / termalna prošlost

Monolithic

1 0.4 0.5 1 1.5
2.5 1.5 - 2.5 1.8
3.8 - - 2.5 -
5 2.4 - 3.0 3
7.5 6.4 - - 4.5
10 6.3 - 5.7 4.7


Coform Uniformity

Svaka testirana konstrukcija pokazala je slična svojstva premaza od ruba do ruba. Podloge su kružile kroz 10 prolaza ispod cilja. Slika 3 predstavlja reprezentativni primjer ujednačenosti debljine po širini. Oblik krivulje odgovara dužini magnetnog polja. Povlačenje na oba kraja je zbog konačnosti cilja. Nisu uočene značajne razlike u uniformnosti.

Figure 3

Slika 3. Uniformnost premaza na ivici ivice (tipično)


Ograničenja svakog dizajna

U ovom testnom režimu, rezultati pokazuju da meta sa mehaničkim rukavima nije bila odgovarajućeg dizajna, povećanje ciljne temperature je bilo trenutno i dramatično. Ista meta kada se koristila u sprezi sa provodnom pastom, radila je mnogo bolje, ali pri povećanim opterećenjima snage, pasta je postala fluidnija i isplivala bi iz rupa u rukavice uzrokujući događaje u luku. Smanjenje zapremine paste zbog curenja takođe smanjuje sposobnost prenosa toplote na cilj. Vremenom, to bi se manifestovalo u povećanju ciljnih temperatura i smanjenju efektivnog životnog veka. Povezan cilj pokazao je dobre performanse do 7,5 kW. Međutim, kada je cilj bio prvi put 10kW, dio indijske veze nije uspio. Učinak nakon toga bio je nepredvidiv iznad 5 kW. Kao što se i očekivalo, monolitna cev je pružila najbolji ukupni rezultat. Monolitna meta je omogućila dobre performanse na svim nivoima snage.


Mechanical Stresses

Toplotni dobitak u nevezanoj cijevi bio je dovoljan da izazove linearno širenje cjevastih rukava. Toliko toliko da je zavareni prsten za deformaciju deformisan (vidi slike 4 i 5). Ispitivanje ove cijevi je u ovom trenutku ograničeno. Nijedna od ostalih konstrukcija cijevi nije pokazivala nikakva vidljiva mehanička naprezanja koja bi ometala ponašanje ciljeva.

Figure 4

Slika 4. Deformisani zavareni prsten bez rukava


Arcing

Brzina luka je mjerena za svaku od ciljnih konfiguracija. Arks je bio problem samo za cijev koja je sadržavala provodnu pastu. Kada se provodna pasta zagreje i počne da plače kroz praznine u rukavima, zabeležena je visoka stopa luka. Inače, iskrenje je vidljivo samo kada je termopar doveden u kontakt sa cijevi.


Tumačenje operativne omotnice koja je implicirana rezultatima

Figure 5

Slika 5. Deformisani zavareni prsten sa pričvršćenim rukavima

Za svaki test, monolitna meta trčala je hladnije i osiguravala konstantno visoku brzinu prskanja. Nisu naišli na probleme koji bi ukazivali da je 10kW gornja granica za ovaj dizajn.

Mehanički montirani rukavi uvećani provodljivom pastom također su dobro obavljeni. Zadržavanje i kontrola paste je predstavljalo problem i zahtijevalo bi poboljšanje dizajna kako bi se osiguralo da je pasta stabilna tokom cijelog životnog vijeka cijevi. Iako je ova konfiguracija dizajna zabilježila najveću brzinu prskanja, varijacije u testiranju čine ovo manje značajnim. Moguće je da je ciljno grijanje doprinijelo povećanju brzine prskanja.

Slično tome, meta vezana za indijum ispunila je zahtjev za snagom od 5 kW za komercijalnu održivost. Takođe je pokazivao nestabilan prenos toplote od 10 kW, nakon čega je integritet veze smanjen, a cilj više ne bi bio dosledan pri postavci snage većoj od 7,5 kW. Pošto je ovaj test ubrzan, nije moguće u ovom trenutku da se utvrdi kakva bi priroda veze bila za produženi rad pri podešavanju snage od 5 do 7,5 kW. Efekat ciljne mase i topografije površine može imati efekat kada se meta erodira tokom vremena. Indijum se topi na 156.6 ° C. Temperatura površine do 7,5kW bila je manja od tačke topljenja, nakon 7.5kW temperatura je bila iznad 200◦C. Bilo kakve promene u zapremini ili temperaturama isporuke vode, čak i za kratak vremenski period, mogu izazvati spontane kvarove vezivanja.


ZAKLJUČAK

Na praktičan način ocijenjeno je nekoliko različitih dizajna. To je postignuto koristeći tipične tehnologije taloženja sa lako dostupnim hardverom. Pokazano je da je potencijalno povećanje performansi taloženja najveće za ciljeve koji su omogućili najbolje rasipanje efekata zagrijavanja plazme. Učinak klizanja na rukavcima bio je vrlo ograničen, mogući faktori koji su doprinijeli tome su ekscentričnost u podložnoj cijevi i nedostatak provodljivosti duž dužine do prstenova. Dizajn rukava sa koherentnim medijem za prenos toplote da bi se popunile praznine između ID ciljne čaure i OD podloge, dobro je funkcionisao. Svaki od ovih koncepata će imati koristi od poboljšanja u izboru medija, oštrijim tolerancijama i montaži. Optimizacija u ovim oblastima će dovesti do viših i konzistentnijih performansi.




Par:ne Sljedeći:Isparavanje i sputtering