В общем случае в зоне действия потока электронов кроме зарядки поверхности протекают следующие основные процессы:

1) вторичная электронная эмиссия;

2) унос адсорбированного заряда с поверхности испаренными частицами.

Тогда с учетом данных процессов дифференциальное уравнение, описывающее кинетику зарядки поверхности и составленное на основе закона сохранения электрического заряда, может быть представлено в виде

. (7.5)

Здесь q– плотность поверхностного заряда, адсорбированного на диэлектрике; jэ–плотность потока электронов; vу– ускоряющее напряжение электронной пушки; – скорость изменение массы мишени или скорость испарения (величина отрицательная); – степень ионизации испаренных частиц; – коэффициент вторичной электронной эмиссии, который численно равен количеству электронов, выбиваемых с поверхности при действии на нее одного первичного электрона.

Значениеопределяется природой материала подложки и очень сильно зависит от энергии электронов. В первом приближении эта зависимость может быть описана выражением

, (7.6)

где a0, d – величины, зависящие от природы диэлектрика; е – заряд электрона.

Если электрон обладает большой энергией, то коэффициент вторичной электронной эмиссии меньше единицы, и при отсутствии испарения будет происходить зарядка поверхности до величины потенциала, равного потенциалу ускоряющего электрода пушки. В общем случае потенциал поверхности определяется величиной адсорбированного заряда q и емкостью поверхностного слоя С. Тогда эффективная энергия электронов, бомбардирующих поверхность,

Е=еU =е (Uу– q/С), (7.7)

где U – эффективное ускоряющее напряжение; Uу – ускоряющий потенциал электронной пушки.

При решении уравнения (7.5) учтем соотношения (7.6), (7.7) и то, что dm/dt= - αр jэ (αр–приведенный коэффициент распыления) и dq/dt=-cdU/dt.

Тогда уравнение (7.5) преобразуется к виду

dU/dt=jэ(αo-1-U(d+βk))/c.

Решением данного дифференциального уравнения при начальном условии U(t=0)=Uу является выражение

U= U0 + (Uу–U0)eхр (–t/tэ),

где U0 и tэ – характерные параметры процесса.

Графически кинетическая зависимость энергии электронов Е=еU представлена на рисунке 7. По своему физическому смыслу представленный на рисунке 7.11 параметр U0=Ео/е, где Ео - энергия электронов, при которой на поверхности не происходит зарядка поверхности (нет накопления зарядов). Ео зависит от природы испаряемой мишени. Для большинства полимеров она имеет значения 1…2,5 кэВ, для ПТФЭ – Ео =1,5кэВ.

Из данного аналитического рассмотрения следует, что основным технологическим параметром, изменением которого можно регулировать скорость испарения, является плотность потока электронов jэ. Ускоряющее напряжение электронной пушки не оказывает заметного влияния на скорость диспергирования и, как правило, при оптимальных режимах не должно значительно превышать значение U0.

Рисунок 7 – Изменение энергии электронов в процессе обработки диэлектрической поверхности

Для увеличения скорости испарения диэлектриков можно предложить следующие технологические приемы:

1. Предварительный нагрев поверхности мишени до температуры, при которой поверхностная электрическая проводимость возрастает и снижается, соответственно, эффективность зарядки поверхности.

2. Испарение диэлектрика с помощью двух и более электронных пушек, одна их которых является источником медленных электронов, при взаимодействии которых с поверхностью происходит снятие электрического заряда.

3. Использование электронных потоков с изменяющей во времени энергией (рисунок 8).

Рисунок 8 – Изменение энергии электронов в процессе испарения

Это достигается путем подачи на ускоряющий электрод переменного потенциала. При таком режиме работы электронной пушки в промежуток времени от t1 до t2 будет происходить снятие поверхностного заряда вследствие интенсивной вторичной эмиссии.

4. Введение в зону испарения металлических электродов, например, медных, которые при действии на них высокоэнергетичных электронов являются источником рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение, в свою очередь, при взаимодействии с поверхностью диэлектрика вызывает фотоэлектронную эмиссию. Металлические электроды также повышают эффективную электрическую проводимость слоя и способствуют, таким образом, стеканию с поверхности диэлектрика адсорбированных электрических зарядов.

При воздействии потока электронов на поверхность полимера протекают сложные физико-химические процессы, приводящие, например, к разрушению макромолекул, протеканию электронно-стимулированных реакций. В результате на поверхности образуются низкомолекулярные фрагменты – продукты электронно-лучевого диспергирования, которые при определенных условиях переходят в газовую фазу (десорбируются). Состав этих летучих продуктов различен и при определенных условиях они способны к процессам вторичной полимеризации, как в газовой фазе, так и на поверхности с образованием тонкого полимерного слоя. Данные процессы лежат в основе технологии формирования тонких полимерных покрытий из активной газовой фазы.