Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления (1026305), страница 15
Текст из файла (страница 15)
3.54. Эпюра распределения толщины тонкопленочного покрытия1283.5.3. Модуль численного моделирования процесса напыления при схемеодного магнетрона без вращения деталиДля расчета параметров магнетронного напыления при схеме одногомагнетрона без вращения и построения эпюры распределения толщинытонкопленочного покрытия по напыляемой поверхности детали разработаналгоритм компьютерного расчета, блок-схема которого представлена на Рис.
3.55.В начале расчета (блок 1) производят ввод исходных данных (блок 2), кчислу которых относятся: расстояние от магнетронов до плоскости подложки S,расстояниемеждуточечнымиисточникаминапыляемогоматериалаL,коэффициенты K и hm, характеризующие физические и технологическиеособенности режима напыления, массив координат расчетных точек xA нанапыляемой поверхности.После ввода координат рассчитываются координаты точечных источниковнапыляемого материала в системе координат XOY (блок 3).
Дальнейший алгоритмзаключается в выполнении цикла (блок 4) – перебора координат xA и расчета длякаждой из них толщины пленки от левого и правого магнетронов.Вычисления производятся в теле цикла и начинаются с обнуления значениятолщины покрытия в соответствующей точке (блок 5).Расчет толщины покрытия в заданной точке заключается в вычислении(блок 6) величин ρ, φ, ε, ξ. Толщину тонкопленочного покрытия имеет смыслвычислять только в том случае, если материал, эмитируемый из рассматриваемогоисточника, попадает на напыляемую поверхность детали. Это происходит, еслиугол падения ε и угол направленности φ по абсолютной величине не превышаетпрямого угла (блоки 7, 10).После вычисления информационный поток выходит из цикла, и выводятсярезультаты вычислений для их дальнейшей обработки в программном модуле.Наосновеприведенногоалгоритмабылразработанкомпьютернаяпрограмма в среде MATLAB [75, 76, 77].
Программа снабжена интерфейсом, окнокоторого представлено на Рис. 3.56. Основными элементами интерфейсапрограммы являются поля ввода данных с их текстовым описанием.1291Начало2S, L, K, hm, xAXл,X3п4xA5HAл=0, HAп=0, HA=06п,НЕТп,,пп,п7п8HAп=п9лНЕТл,л,,л,л10л11HAл=л12HA , HAл , HAпКонец13Рис. 3.55. Блок-схема алгоритма вычисления распределения толщинытонкопленочного покрытия по напыляемой поверхности детали при схеме одногомагнетрона без вращения детали130В полях ввода на данном рисунке представлены значения, установленные поумолчанию.При нажатии на кнопку «Расчет толщины покрытия» строится эпюрараспределения толщины тонкопленочного покрытия от левого и правоготочечного источников напыления магнетрона и суммарного слоя (Рис.
3.57). Вверхней части окна отображаются численные значения соответствующих слоев:минимальная, максимальная и средняя толщина, характеристика неравномерностиσ.Рис. 3.56. Интерфейс программы расчетаРис. 3.57. Эпюра распределения толщины тонкопленочного покрытия1313.6.Результаты математического моделированияДля поиска оптимальных кинематических параметров и параметровконструкциимагнетроннойнапылительнойустановкиприпомощиимитационного математического моделирования были проведены исследованиязависимости равномерности нанесения покрытия от значения отношения частотвращения сателлита и карусели n.Для исследования процессов напыления проводили многоцикловые расчетыв ПРКП из п.3.5.3.6.1.
Исследование равномерности нанесения покрытия в зависимости отзначения отношения частот вращения сателлита и карусели придуальной схеме напыленияБыли проведены исследования равномерности нанесенного покрытия взависимости от значения отношения частот вращения сателлита и карусели n.На Рис. 3.58 и 3.59 приведены распределения толщины покрытия приразличных значениях n.
Значения параметров K и hm соответствуют условиямнапыления алюминия с обоих магнетронов при токах на них 5,4 А и 5,1 А втечение 60 минут. Знак «–» перед n означает, что движение сателлита и каруселиоднонаправленное.В Таблице 16 представлены значения σ для слоев, представленных наРис. 3.58 и 3.59.На Рис. 3.60 и 3.61 представлены графики изменения значения s приразличных значениях n. Из графиков видно, что наибольшая равномерность слоядостигается при n = –1,1. Значение σ при этом достигает 0,0006.3.6.2. Исследование равномерности нанесения покрытия из одного материалав зависимости от угла наклона магнетронов при дуальной схеменапыленияБыли проведены исследования равномерности нанесенного покрытия взависимости от углов наклона магнетронов.Были смоделированы условия напыления алюминия с обоих магнетроновпри соотношении частот вращения сателлита и карусели n = –1,1.132Рис. 3.58.
Распределения толщины покрытия при n от –6 до –1Рис. 3.59. Распределения толщины покрытия при n от 1 до 6Таблица 16.Значения σ при различных значениях nns-6-5-4-3-2-11234560,011 0,011 0,012 0,013 0,012 0,008 0,07 0,04 0,03 0,02 0,02 0,02133Рис. 3.60. Значения σ при изменении n от –6 до –0,1Рис. 3.61. Значения σ при n от 0,1 до 6Рис. 3.62. Распределения толщины покрытия при q от 0° до 60°134Это соответствует минимальному значению неравномерности толщины покрытия,при одинаковых углах наклона левого q Л и правого q П магнетронов.
На Рис. 3.62приведены эпюры распределения материала для различных углов наклонамагнетронов.Из Рис. 3.62 видно, что при дуальном напылении форма напыленного слояявляется вогнутой.В Таблице 17 приведены значения σ, соответствующие слоям, эпюрыкоторых показаны на Рис 3.62.Таблица 17.Значения σ при различных значениях qq,°0102030405060σ7,4∙10–46,6∙10–46,2∙10–46,1∙10–46,5∙10–41,2∙10–21,7∙10–1На Рис.
3.63 представлен график изменения значения σ при различныхзначениях q. Из него видно, что наибольшая равномерность слоя достигается приq =37°. Значение σ при этом достигает 5,6×10–4.3.6.3. Исследование равномерности нанесения покрытия в зависимости отуглов наклона магнетронов при дуальной схеме напыленияБыли смоделированы условия напыления алюминия и титана при токах намагнетронах 12 А и 6 А соответственно. На Рис. 3.64 представлено семействографиков значений σ, соответствующих различным углам наклона магнетронов.Минимальное значение σ соответствует наклону левого магнетрона(алюминий) q Л = 38° и правого (титан) q П = 40° и составляет 6,6×10–4.3.6.4. Исследование равномерности нанесения покрытия в зависимости отзначения отношения частот вращения сателлита и карусели при схеменапыления с единичного магнетронаБыли проведены исследования зависимости равномерности нанесенияпокрытия от значения отношения частот вращения сателлита и карусели n длясхемы напыления с единичного бокового магнетрона.135а)б)Рис.
3.63. Значения σ при θ от 0° до 60° (а) и при θ от 0° до 40° (б)Рис. 3.64. Значения σ при ассиметричном наклоне левого и правого магнетронов136На Рис. 3.65 и 3.66 приведены распределения толщины покрытия приразличных значениях n.Значения параметров K и hm соответствуют условиям напыления хрома притоке на магнетроне 4,5 А в течение 60 мин. Знак «–» перед n означает, чтодвижение сателлита и карусели однонаправленное.В Таблице 18 представлены значения σ для слоев, представленных наРис.
3.65 и 3.66.На Рис. 3.67 и 3.68 представлены графики изменения значения σ приразличных значениях n.Из графиков видно, что наибольшая равномерность слоя достигается приn=3,4. Значение σ при этом достигает 0,0016.Таблица 18.Значения σ при различных значениях nn–6–5–4–3–2–1123456σ 0,038 0,039 0,038 0,037 0,031 0,017 0,107 0,070 0,013 0,022 0,022 0,028Рис.
3.65. Распределения толщины покрытия при n от –6 до –1137Рис. 3.66. Распределения толщины покрытия при n от 1 до 6Рис. 3.67. Значения σ при n от –6 до –0,1Рис.3.68. Значения σ при n от 0,1 до 51383.7. Определение коэффициентов пропорциональностиМетодикаНапылениеопределенияпроизводиликоэффициентовнаподложку,заключаласьрасполагаемуювследующем.неподвижнонафиксированном расстоянии напротив единичного магнетрона параллельно егоплоскости, за определенное время. Замеряли толщину покрытия H в несколькихточках вдоль напыляемой поверхности. Для каждой точки вычисляли скоростьнапыления и определяли произведение коэффициентов K∙hm. Далее вычисляликоэффициент K стехиометрии напыляемого материала, исходя из расстояниймежду узлами кристаллической решетки и учитывая, что алюминий, медь изолото формируют покрытие с гранецентрированной кубической решеткой, хроми никель – с объемно-центрированной кубической решеткой, а титан – смаксимально плотной гексагональной решеткой.В качестве оценки коэффициента K, зависящего от размеров частицнапыляемого материала, примем объёмы атомов соответствующих материалов изсоотношения4×p × r3 ,3K=(3.1)где r – радиус атома соответствующего элемента.В Таблице 19 приведены результаты расчета коэффициента K для титана,алюминия и хрома.Чтобынайтиэкспериментальнойкоэффициентыустановки,былаhmприразличныхпроведенасериярежимахопытов,работычисловыерезультаты некоторых отражены в Таблице 20.Для оценки максимума диаграммы направленности распыления hm заменимв формуле (2.1) множитель1r2× cos j × cos eна коэффициент Lm, которыйхарактеризует кинематический режим работы системы.
Тогда формула для расчетатолщины покрытия от одного магнетрона за один цикл длительностью t приметследующий видx = K × hm × Lm × t .(3.2)139При четырех оборотах детали за один цикл и скорости вращения сателлита7,8 об. мин. время одного цикла составляетt=44об.== 30,77с .n 7,8 об.мин.мкм × мм 2При моделировании с коэффициентами K = 1частицаи hm = 1частицcсредняя расчетная толщина покрытия за один цикл напыления составила 0,04 мкм.Следовательно, коэффициент Lm при режиме работы двух одинаковых магнетроновравенx=2 × k × hm × tLm =0,04 мкм= 6,5 × 10 -4 мм -2 .2мкм × ммчастиц2 ×1×1× 30,77счастицаcПодставив в уравнение (3.2) численные значения известных величин изопыта №35 (Таблица 20), получим16 мкм = 2 × 1,2 × 10-17мкм × мм 2× hm × 6,5 × 10- 4 мм - 2 × 14400с ,частицаоткудаhm = 7 ×1016частиц.cАналогично были найдены значения ℎm для опытов №14, 23 из Таблицы 20.Найдем коэффициент hm по данным опыта №43, выполненного по схемеодного магнетрона и неподвижной подложкой.