Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления, страница 10

2.7, а, б, в, г) и против часовой стрелки (Рис. 2.7, д, е, ж, з).Сопоставление полученных кривых с особенностями формированиярасчетных величин, которые поясняются схемами на Рис. 2.3–2.5, позволяетоценить полученные графики как адекватные.Особоевниманиеследуетуделитьрассмотрениюособенностейкинематических зависимостей для параметра e – угла падения напыляемогоматериала из единичного источника в рассматриваемую точку на поверхностидетали (Рис.

2.7, г, з).Очевидно, что процесс напыления на рассматриваемую поверхность деталив рассматриваемой точке возможен лишь при выполнении условия |ε|<π/2. Исходяиз этого, можно получить наибольшее bmax (Рис. 2.7, г) и наименьшее bmin(Рис. 2.7, з) значения углов поворота b, таких, что процесс напыления врассматриваемую точку из рассматриваемого точечного источника происходитлишь при выполнении условияb min < b < b max .

Здесь величины углов bучитываются со своими знаками: положительным значениям b соответствуетповорот сателлита по часовой стрелке, а отрицательным – против.Далее, на Рис. 2.8 приведены зависимости скорости роста x толщинытонкопленочного покрытия в точке A на поверхности детали от угла поворота bсателлитапланетарногомеханизмаисточника напыляемого материала.прирассмотренииодноготочечного67Рис. 2.7. Зависимости координат c (а, д) и h (б, е), а также угла направленности j(в, ж) и угла падения e (г, з) в единичной точке поверхности детали в процессенапыления из единичного точечного источника напыляемого материала от углаповорота несущего деталь сателлита планетарного механизма b при вращениисателлита по (а, б, в, г) и против (д, е, ж, з) часовой стрелки68Из рассмотрения результатов расчета для случая поворота сателлитапланетарного механизма по часовой стрелке (Рис. 2.8, а) можно видеть, что, какбыло показано и выше (см.

Рис. 2.7, г), напыление в точке A происходит лишьтогда, когда угол поворота b сателлита находится в пределах от 0 до bmax. Опротекании процесса напыления на Рис. 2.8, а, свидетельствует тот факт, что при0<b<bmax оказывается, что x >0. Далее, при b>bmax расчетная величинаx отрицательна, что не имеет физического смысла и указывает на то, что в этомслучае деталь повернулась к точечному источнику тыльной стороной, инапыления материала в точке A не происходит.Аналогично, рассматривая результаты расчета для случая поворотасателлита планетарного механизма против часовой стрелки (Рис. 2.8, б), замечаем,что процесс напыления в точка A происходит только при изменении углаповорота b сателлита от 0 до bmin.

При этом величина bmin совпадает с полученнойранее (см. Рис. 2.7, з), а на отрезке [bmin , 0] имеем x > 0 . Так же, как и впредыдущем случае, видно, что при отрицательных значениях расчетнойвеличины x деталь поворачивается к источнику напыления тыльной стороной, инапыления в точку A не происходит.Переходяотрассмотренияскоростинапыленияxкрасчетунепосредственно толщины H напыляемого материала в рассматриваемой точке A,отметим, что величина H может быть определена интегрированием зависимостейx (b ) по b.

Для удобства расчета заменим непрерывное планетарное движениесателлита, обеспечиваемое механизмом карусели установки магнетронногонапыления, при котором собственно карусель вращается против часовой стрелки,а сателлит – по часовой стрелке, двумя планетарными движениями:1) от нулевого положения до поворота сателлита на угол bmax;2) от нулевого положения реверсом до поворота сателлита на угол bmin.Тогда очевидно, что для рассматриваемой единичной точки A наповерхностидеталитолщинапокрытия,формируемаярассматриваемымединичным источником напыляемого материала, будет соответствовать суммедвух площадей – S1 (Рис.

2.8, а) и S2 (Рис. 2.8, б).69а)б)Рис. 2.8. Зависимости скорости роста толщины пленки x в рассматриваемойточке A от угла поворота сателлита b при напылении из точечного источника,расположенного на правой мишени при вращении механизма карусели в прямом(а) и реверсном (б) направленияхРис. 2.9.

Расчетное распределение толщины тонкопленочного покрытия понапыляемой поверхности деталиРис. 2.10. К пояснению характеристики неравномерности покрытия70Переходя к анализу технологической системы напыления в целом, следуетзаметить, что толщина тонкопленочного покрытия в каждой единичнойрассматриваемой точке A формируется из четырех точечных источниковнапыляемого материала – по два на мишенях, расположенных на левом и правоммагнетронах. Поэтому толщина покрытия в единичной точке детали за каждыйпроход напыляемой поверхности через зону эмиссии напыляемого материала внеэкранированном относительно магнетронов состоянии соответствует суммевосьми площадей, аналогичных площадям S1 и S2, представленным на Рис.

2.8.Такие суммы восьми площадей могут быть рассчитаны для каждой точки нанапыляемойповерхностидетали.Тогданеравномерностьтолщинытонкопленочного покрытия может быть оценена на основе рассмотрения эпюрыраспределения расчетных толщин покрытия по напыляемой поверхности детали.На Рис. 2.9 приведена эпюра распределения толщины тонкопленочногопокрытия [71], полученная при помощи компьютерной программы.

Можновидеть, что наибольшие и наименьшие расчетные толщины покрытия вразличных точках напыляемой поверхности могут различаться по величине додвух раз. Необходимо отметить, однако, что влияние не учитываемых нашимиматематическими моделями факторов процесса напыления может приводить кнекоторому снижению разнотолщинности сформированного покрытия.В качестве характеристики неравномерности нанесения покрытия примемвеличину σ, равную отношению разности между максимальной и минимальнойтолщиной покрытия к средней толщине покрытия (Рис.

2.10)s=DH,H СРЕД(2.45)гдеDH = H MAX - H MIN– разница между наибольшим и наименьшим значениямитолщины нанесенного покрытия;NH СРЕД =åHi =1Ni– среднее значение толщины покрытия по всем N координатамподложки.71Таким образом, предложенная математическая модель для вычисленияскорости роста толщины покрытия при различных вариантах движения подложкиотносительно магнетронной распылительной системы позволяет определятьраспределение толщины покрытия по напыляемой поверхности.

Необходимоотметить, что её применение основано, в том числе, на численных значенияхкоэффициентовмаксимумадиаграммынаправленностиистехиометрииформируемого покрытия.2.6. Выводы по главе 21. Разработана математическая модель, устанавливающая текущую скоростьроста толщины тонкопленочного покрытия в рассматриваемой точке напыляемойповерхности детали при её планетарном движении в прямом и в обратномнаправлениях. Модель учитывает соотношение (с учетом знака) частот вращениясателлита и водила планетарного механизма, расстояния от поверхностираспыления и углы направленности и падения, а также коэффициентыстехиометрии напыляемого материала и максимума диаграммы направленности,определенные экспериментально.2.

Новизна предлагаемой модели заключается в том, что рассматриваютсямгновенные значения указанных углов и расстояний, учитывая, таким образом, ихизменения в процессе сложного движения деталей относительно мишеней.Модель также включает коэффициенты максимума диаграммы направленностираспыления от мишени и стехиометрии формируемого покрытия, определяемыеэкспериментально.3. Вычисляемая по разработанной математической модели скорость ростатолщины покрытия позволяет рассматривать любые разновидности планетарногодвижения детали в плоскости, перпендикулярной к рассматриваемой плоскойнапыляемой поверхности.72Глава 3.

Проведение экспериментальных исследованийГлава посвящена решению двух задач: математическому моделированию поопределениюрациональныхкинематическихрежимовтехнологическогооборудования, обеспечивающих заданную равномерность покрытий, наносимыхна детали гироприборов и нахождению численных значений коэффициентовмаксимума диаграммы направленности и стехиометрии формируемого покрытия.3.1. Конструкция экспериментальной установки на базе UniCOAT600Выбор экспериментальной установки производили на основе анализаконструкций вакуумных установок для магнетронного напыления с точки зренияобеспечения равномерности толщины покрытия (см.

гл. 1, раздел 1.5).В качестве базового будем рассматривать конструктивное устройствоустановки Unicoat600, производства НПФ «Элан-Практик» [90], с дуальныммагнетронным распылением, снабженной механизмом карусели для обеспеченияпланетарного движения подложки [32, 72], причем напыляемая поверхностьподложки расположена вертикально. Достоинствами такой схемы работыоборудованияявляетсято,чтовертикальноерасположениенапыляемойповерхности минимизирует загрязнения осаждаемой пленки, в то же времяналичиемеханизмапланетарноговращенияпозволяетварьироватькинематические факторы процесса.Длявыполненияэкспериментальныхисследованийбылапроведенамодернизация установки UniCoat600 (Рис. 3.1, а), которая заключалась воснащении еёдополнительнымединичныммагнетроном,расположеннымудаленно от системы сдвоенных магнетронов.

В правой части вакуумной камеры,образуемой корпусом 2 и дверцей 3 установки, расположен ионный источник 6.Магнетроны расположены относительно друг друга следующим образом:единичный магнетрон 9 установлен жестко к вакуумной камере с левой еёстороны, причём его ось симметрии проходит через центр C механизма карусели.Еще два магнетрона – правый 7 и левый 8 – образуют дуальную систему и73размещены на дверце 3 установки в ее передней части симметрично относительнопродольной оси установки, совпадающей с осью OY её системы координат.Магнетроны 7 и 8 могут быть установлены под углом q к фронтальной плоскостиустановки.

По центру камеры располагается механизм карусели, включающий всебя водило 4, несущее держатели 5, в которых закрепляют напыляемые детали 1.Одно- или двух- компонентное покрытие на заготовку-деталь наносят с двуходинаковыхвертикальноймагнетронов,–расположенныхсагиттальной–плоскости.симметричноЗаготовкуотносительнозакрепляютвтехнологической оснастке, которую, в свою очередь, связывают с сателлитом 5планетарного механизма таким образом, чтобы заготовка совершала двавращательных движения: вокруг точки центра вращения карусели и вокруг точки,соответствующей собственной оси планетарного механизма, которая при этомсамавращаетсявокругточки,соответствующейвращениюкарусели4планетарного механизма.Магнитные системы всех магнетронов выполнены на постоянных магнитах,взаимно согласованы и обеспечивают протяженную эффективную зону высокойионизации плазмы, необходимую для нанесения покрытий. Магнетроны имеютодинаковую конструкцию, которая представлена на Рис.

3.2 [80]. Магнетронустанавливается на кронштейны 3. Охлаждение мишени 1 осуществляетсяпроточной водой, а герметичность обеспечивается резиновыми уплотнениями 5 и6. Для устойчивой работы магнетрона задняя и боковые поверхности закрытызащитным экраном 4.Источник ионов используют для очистки и активации поверхностиподложки-заготовки из диэлектрических материалов перед нанесением покрытия.Конструктивное устройство источника ионов представлено на Рис. 3.3 [80].Он состоит из анода 1, расположенного напротив выпускной щели, образуемойкатодными пластинами 2 и 6, закрепленными на магнитном блоке 4 и стенках 5 спомощью прижимных пластин.