Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления, страница 9

Полученные значения приращений толщины покрытия врассматриваемых точках A накапливают, представляя соответствующие элементымассива в виде накопленных сумм. Вычисления заканчивают, когда текущеезначение угла a становится больше верхней границы области определения (2.35).Искомоерасчетноераспределениетолщинынапыляемогопокрытияпо59поверхности детали описывается графиком, сформированным элементамирассматриваемого массива точек A.2.4. Анализ ожидаемого распределения толщины тонкоплёночногопокрытияРасчётформыраспределениятолщиныпокрытияпонапыленнойповерхности основан на рассмотрении множества последовательных положенийподложки относительно распыляемой мишени.

В предыдущем параграфе былиопределены все геометрические параметры, характеризующие произвольноерасположение подложки в процессе напыления. В частности, полученноевыражение (2.25) для расчёта угла падения e применительно к любойрассматриваемой точке А на поверхности подложки.Очевидно, что падение напыляемого материала на точку А возможно лишьпри выполнении условия-ppp<e < +, т.е.

e < .222(2.36)Будем считать, что условию e = p 2 соответствует некоторый угол b max ,который формируется при вращениях систем координат: XOY – против часовойстрелки, xoy – по часовой стрелке. Аналогично, предполагаем, что углу b min ,который формируется при e = - p 2 , соответствуют вращение систем координат:XOY – по часовой стрелке, xoy – против часовой стрелки.Условие e = p 2 для рассматриваемой точки А будет выполнено в тотмомент, когда напыляемая плоскость подложки совпадает с линией WA. Израссмотрения расчетной схемы видно, что этому положению соответствуетусловиеpæö pb max = -çq + + j ÷ = - (q + j )2èø 2Длятого,чтобыопределитьвеличину(2.37)углаb max ,необходимопредварительно определить величину угла φ по формуле (2.24).

Однако, какможно видеть из рассмотрения выражения (2.24), формула для определения угла60сама содержит подлежащий определению угол β. Таким образом, условие (2.37),несмотря на кажущуюся простоту, не может быть решено аналитически, и должнорешаться лишь численными методами. Необходимо добавить, что при вращениивершины угла φ по формуле (2.24) расчёту подлежат также величины AK и KW,каждые из которых, в свою очередь, будучи рассматриваемая по формулам (2.13)и (2.22) соответственно, также содержит подлежащий определению угол β. Этосвидетельствует о сложности необходимых компьютерных вычислений.Аналогично, условие e = - p 2 для рассматриваемой точки А выполняется вмомент, когда напыляемая плоскость подложки совпадает с линией WA приусловии, что линию WA находим правее линии WK.

В этом случае искомый уголповорота подложки составитpéùépùb min = - êq + - j ú = - ê + (q - j )ú2ëûë2û(2.38)Знак «минус» в выражении (2.28) означает, что рассматриваемый поворотподложки против часовой стрелки. В свою очередь, угол φ считаетсяположительным, если прямая WA находится левее прямой WK и к отрицательным– в противном случае.Таким образом, для каждой рассматриваемой точки А на поверхностиподложки процесс напыление проходит при выполнении условияb min < b < b max(2.39)или, что то же самое, с учётом соотношения b =n × aa min < a < a max(2.40)bbгде a min = min n и a max = max n .Расчёт ожидаемой формы распределения толщины тонкоплёночногопокрытия по поверхности заготовки, в соответствии с изложенным выше, можнопроизводить по алгоритму [70], блок-схема которого приведена на Рис.

2.6.Вначале задают исходные данные, а именно, следующие величины:R – расстояние от центра оси вращения до оси вращения сателлита;61r – расстояние от оси вращения центра сателлита до напыляемой плоскостиподложки;DЛ , DП– расстояния от центра карусели до плоскости левого и правогоисточников распыления материала (мишени);q Л , q П – углы наклона плоскостей левой и правой мишеней к фронтальнойплоскости камеры;c W Л 1 , c W Л 2 , c W П 1 , c W П 2 – расстояния от принятого за первую и вторую точкуисточника напыления на левой и правой мишенях до оси симметрии вакуумнойкамеры, проходящая вдоль рабочей плоскости мишени.Эти величины являются геометрическими.

Наряду с ними задаётсякинематическая величина n – соотношение между частотами вращения вокругсвоих осей сателлита и карусели. При этом величина n задаётся со своим знаком:если n>0, то вращение сателлита вокруг своей оси и карусели направлена в однусторону, если n<0 – то сателлит и карусель вращаются во встречныхнаправлениях.Кроме указанных параметров задают также размер подложки. Плюс ковсему, задают также технологические коэффициенты x Л и x П , характеризующиеудельную толщину покрытия, создаваемого материалы левой и правой мишеней.Расчет начинают с того, что напыляемую поверхность подложки делят наотрезки.

Количество отрезков и определяет точность нахождения и плавностьизменения расчетных толщин покрытия по напыляемой поверхности. Величина hmтакже входит в состав заданных параметров. За расчетные точки А принимаютсередины отрезков, формируя таким образом массив рассматриваемых координатхА точек А.В целом, алгоритм расчета спрогнозирован таким образом, что переборточек А является его внешнимциклом. В этот внешний цикл вложен циклперебора источников напыления. Всего таких источников оказывается четыре – подве на левой и правой мишенях. То есть для каждой точки А толщина покрытияпредставляет собой сумму толщин, полученных при перемещении подложки от62каждого из источника напыления.Внутрь цикла перебора источников напыления вложен цикл перебораугловых положений карусели и сателлита, которая и содержит собственно расчетэлементарной толщины осажденного покрытия по формуле (2.1).

Для этого весьдиапазон области определения величины хА, а именно (a min , a max ) делят дискретамиугла. Дискрета угла также определяет точность расчёта.Здесь следует отметить, что диапазон (a min , a max ) зависит от положения на(a min , a max )поверхности подложки рассматриваемой точки А. За величинупринимаем максимальный диапазон, т. е. такой, который характерен наименьшимуглом a min и максимальным углом a max для всех точек подложки обеих мишеней.Приходим к следующему алгоритму расчета.

Первым шагом выбираютточку А в середине отрезка на одном из краёв подложки. Выбор этой точкиозначает, что для неё известна величина хА. Выбор точки также означает, что длянеё имеются присущие только ей углы b min иb max . Эти углы определяют поформулам (2.37) и (2.38).Серьёзным осложнением является то, что в формулы (2.37) и (2.38) входитугол направленности φ, который в свою очередь, определяется по формуле (2.24),которая также содержит искомую величину угла β. Более того, угол β входит всостав формул (2.17) и (2.22) по которым определяется величины сторон KA и KWrАКW, которые также входят в состав формулы (2.24) для расчета угла φ.Указанное осложнение вынуждает определить углы b minи b max поформулам (2.37) и (2.38) численными методами, используя для углов a min иa max подставки из формулы (2.40).Вычислением углов b min и b max заканчиваем первый шаг реализацииалгоритма расчета.

Необходимо отметить, что вычисленияb minиb maxпроизводят применительно к первому источнику напыления (например, это тот,который ближе к оси симметрии камеры) первой (например, правой) мишени.63Рис. 2.6. Блок-схема алгоритма расчета толщины покрытия64Вторым шагом реализации алгоритма принимают b = b min и выполняютрекуррентно формулуb = b + Db(2.41)где Db – дискрета угла поворота.Теперь, имея все необходимые данные, проводят расчет величиныэлементарного приращения толщины покрытия Dx по формуле (2.21). При этомвеличину расстояния ρ от источника напыления до точки А определяют поформуле (2.23), угол направленности j – по формуле (2.24), а угол падения ε – поформуле(2.25).ПолученнуювеличинуDxзапоминаютвячейке,соответствующей отрезку, которому принадлежит рассматриваемая точка А.Далее повторяют процедуру по формуле (2.41) и соответствующиевычисления, каждый раз, проверяя угол b , на выполнение условияb < b max .(2.42)При этом соответствующие рассчитанные величины Dx суммируются вупомянутой ячейке, так, что для рассматриваемой точки А толщина покрытиясоставляетx = å Dx .(2.43)Расчет на этом шаге завершается при невыполнении условия (2.32).Толщина покрытия в точке А, рассчитанная по формуле (2.43), сформированатолько одним (первым) источником напыления от одной (первой) мишени.Поэтому третьим шагом алгоритма переходим ко второму источникунапыления на первой мишени, повторяя все описанные выше процедуры, затем кпервому и далее по второму источникам на второй мишени, накапливая толщинупокрытия в соответствии с выражением (2.43).

На этом третий шаг завершен.Итогом вычисления на этой стадии является толщина покрытия в пределахединственного, крайнего, отрезка, которому принадлежит точка А. Эта толщинасостоит из четырёх частей, полученных от четырёх (по два на каждой мишени)источников напыления материала. Далее следует распространить этот расчёт навсю поверхность подложки.65Для этого на четвёртом шаге алгоритма выполняется рекуррентноевычислениеx A = x A + Dx ,(2.44)где Δx – длина отрезка, полученного делением напыляемой поверхности подложкина n частей.Подставляя каждый раз координату xA, определенную по формуле (2.44), вуказанные выше уравнения, приводят все вычисления предыдущих трёх шаговалгоритма. Процедуру (2.34) повторяют n раз, получая тем самым толщиныпокрытий, рассматриваемые в виде сумм (2.43), для всех отрезков, которые всовокупности и формируют всю напыляемую поверхность подложки.Итоговый график зависимости ξ=f(xA) и есть искомое распределениетолщины покрытия по напыляемой поверхности.2.5.

Вычисление толщины и неравномерности покрытияТаким образом, зная величины ρ, φ, ε и характеристики материала K ирежима распыления hm, можно найти скорость роста толщины покрытия ξ поформуле (2.1). При этом следует учесть, что напыление материала на подложкубудет происходить только при значениях угла направленности |φ|<π/2 и углападения |ε|<π/2, поскольку значения |φ|>π/2 означают, что рассматриваемая точканаходится за плоскостью магнетрона, значения |ε|>π/2 означают, что детальповернулась к источнику тыльной стороной. В таких случаях значения скоростинанесения ξ, полученные при таких значениях угла направленности и падения, врасчете толщины покрытия участвовать не будут.В качестве примера на Рис.

2.7 приведены кинематические зависимостигеометрических параметров, рассчитываемых по формулам (2.26)–(2.34) дляодной точки поверхности детали с координатой xA=20 мм, при рассмотренииодного точечного источника напыляемого материала, расположенного на правоймишени (см. Рис. 2.1) на расстоянии cW = 138 мм от оси симметрии установки.Значения остальных параметров для расчета были приняты на следующихуровнях: расстояние от центра вращения карусели до плоскости мишени D = 278мм; угол наклона мишени q = 23°; радиус расположения деталей на сателлите66планетарного механизма r = 37 мм; радиус водила планетарного механизма R =145 мм; соотношение между частотами вращения сателлита и карусели n = 5;направление вращения сателлита относительно направления вращения карусели –встречное.На Рис. 2.7 приведены расчетные зависимости координат c и h, а такжеугла направленности j и угла падения e для рассматриваемой точки A наповерхности детали от угла поворота сателлита b при вращении сателлита по(Рис.