Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления (1026305), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Скорость роста напыления ξ дляэтой схемы может быть найдена по формулеx = K × hm ×D22ææöLöç ç xA + ÷ + D 2 ÷çè÷2øèø2.(3.3)Составляя уравнение с неизвестным коэффициентом hm и с учетом формулы(3.3), получим1409 мкм = 8,6 × 10-18(50 мм )мкм × мм 2× hm ×× 3600счастицаæ æ 36 мм ö2ö2çç+ (50 мм ) ÷ç è 2 ÷ø÷èø2откудаhm = 9,3 ×1017частиц.cТаким образом, были получены оценки значений ℎm для различных режимовнапыления, которые сведены в Таблицу 21.Значения оптимальных параметров для различных типов напыляемогопокрытия представлены в Таблице 22.Таблица 19.Коэффициент стехиометрии покрытия K для различных материаловКоэффициент K,МатериалРадиус атома,покрытияпммкм × мм 2частицаТитан, Ti1471,4·10–17Алюминий, Al1431,2 ·10–17Хром, Cr1308,6·10–18Таблица 20.Результаты экспериментовТолщина№МатериалСхемаВремя нанесенияопытапокрытиянапыленияосновного слоя t3, мин.35AlДуальная2401614TiДуальная120423TiAlДуальная120843Cr609Один магнетрон,без вращенияпокрытия,мкм141Таблица 21.Коэффициенты ℎm для различных материаловМатериалпокрытияAlКоэффициент hm ,частицc7,0·1016Ti3,1·1016TiAl6,5·1016Cr9,3·1017Таблица 22.Рациональные параметры для различных режимов напыленияРасчетныйМатериалпокрытияСхема напыленияРежимпоказательравномерностиσCrЕдиничный боковоймагнетронn = 3,4Коэффициентhm ,частицc1,6×10–39,3·10176,6×10–46,5·10165,6×10–47,0·1016n = –1,1TiAlДуальноенапылениеq Л = 38°q П = 40°AlДуальноеn = –1,1напылениеq = 37°3.8.
Выводы по главе 31. Для проведения экспериментальных исследований был создан стенд набазе модернизированной установки Unicoat600. В частности, модернизациязаключалась в оснащении установки дополнительным единичным магнетроном,расположенным удаленно от системы сдвоенных магнетронов. Это позволило:142– экспериментально установить численные значения коэффициентов,входящих в математическую модель, описывающую скорость роста толщиныпокрытия в рассматриваемой точке;– получить форму распределения толщины напыленного покрытия,дополняющую до равномерной формы, создаваемой системой сдвоенныхмагнетронов.2.
Применявшаяся экспериментальная установка Unicoat600 была такжеусовершенствованапутемсозданиякинематикивозвратно-вращательногодвижения подложки с дополнительной схемой управления. Это позволилоповыситьпроизводительностьпроцессанапылениязасчетпостоянногонахождения подложки в зоне, прилегающей к магнетрону.3.
Экспериментальноопределенычисленныезначениякоэффициентастехиометрии K, отражающего влияние на скорость роста толщины покрытиянапыляемого материала, и коэффициента максимума диаграммы направленностираспыления ℎm, отражающего влияние технологического режима магнетронногонапыления, для материалов Cr, TiAl, Al, Ti. Это позволяет рассчитыватьчисленныезначенияожидаемогораспределениятолщиныпокрытияпонапыляемой поверхности деталей гироскопических приборов.4. Применявшиеся при экспериментальных исследованиях напыляемыеобразцы были изготовлены из различных материалов и имели помимо плоскойформы,котораярассматриваласькакосновная,такжецилиндрическую,сферическую и сложную пространственную форму.
Это позволило, используяподложкиплоскойформы,установитьнаиболеерациональныережимымагнетронного напыления различных материалов, а использование подложек спространственнойрезультатынаконфигурациейдругиедеталипозволилораспространитьгироскопическихприборов.полученныеПриэтомэкспериментально определены рациональные режимы напыления следующихматериалов и покрытий: Cr, NiCr, Ti, TiAl, AlN, AlNO, Al, Cu.5. Применение математического моделирования позволило установить,что, изменяя кинематический режим (соотношение между частотами вращения и143их направлениями, углу наклона магнетронов), можно получать заданные в КДотклонения от равнотолщинности покрытий, а также получать необходимуюформу распределения толщины покрытия (симметричную или асимметричную,выпуклую или вогнутую).
В частности, для деталей гироскопических приборовцелесообразнопредусмотретьвозвратно-вращательныйрежимдвиженияподложки, а операцию напыления осуществлять первоначально у единичногомагнетрона, расположенного фронтально к плоскости подложки, обеспечиваявыпуклую форму, а затем – у системы сдвоенных магнетронов, наклоннорасположенных к фронтальной плоскости вакуумной камеры и направленныхсвоими мишенями в сторону центра планетарного механизма, характеризующейсясозданием вогнутой формы6.
Показано, что применение разработанного пакета прикладных программпозволяет определять кинематические и геометрические параметры операциинапыления, обеспечивающие заданную неравномерность наносимого покрытия. Вчастности, расчетным методом установлены рациональные соотношения междувеличинами и направлениями собственного и переносного вращений подложки.Также установлены рациональные углы наклона магнетронов при дуальной схеменапыления.
Эти результаты предназначены для применения при разработке новыхвариантов конструкций технологической оснастки планетарного типа.144Глава 4. Обсуждение результатов экспериментальных исследований ивнедрение разработанных технических решенийВ данной главе приводится анализ результатов экспериментальныхисследованиймагнетронногоивнедрения,напыленияинженернаяпокрытийнаметодикапостроениядеталигироприборов,операциивариантмодернизации серийных вакуумных установок, на основе полученных расчетныхи экспериментальных результатов и описывается новая конструкция планетарногомеханизма карусели с рассмотрением примеров её использования,4.1.
Обсуждение результатов экспериментов по напылениютонкоплёночных покрытий4.1.1. Анализ результатов напыления хромаКак можно видеть из рассмотренных данных, представленных в Таблице 6,напыление хрома проводили с бокового магнетрона. При этом использовалинеподвижное положение подложки (опыты № 42, 43, 44, 45), а также ихвозвратно-вращательное движение (опыты №58 и 59). Перед нанесением слояхрома производили ионно-плазменное подтравливание подложки в течение 10минут.Можно отметить, что при включении возвратно-вращательного движениякарусели ток утечки с ИИ существенно возрастает (с 0,12…0,15 А до 0,4 А) принеизменном напряжении смещения (2400…2530 В). Это можно объяснитьвозникновением дополнительных контуров утечки при работе механизмакарусели.При напылении хрома обнаруживается важная особенность, присущаясозданию тонких плёнок в вакууме – явление отслаивания тонкоплёночногопокрытия.
Из рассмотрения результатов, приведенных в Таблице 6 можно видеть,чтоотслаиваниехроманаблюдаетсяприотносительнобольшойпродолжительности процесса напыления t3 = 60 мин.В этом случае толщина покрытия составляет 9 мкм. Можно утверждать, что145в покрытиях большой толщины создаются существенные остаточные напряжения.Хром,какматериалтонкоплёночногопокрытия,обладаетследующимиотличительными свойствами:1.
Хромое покрытие отличаетсявысокой жесткостью, т. е. невысокойподатливостью;2. Хром обладает наивысшей адгезией (из всех функциональных материалов)практически ко всем материалам исследуемых подложек.Первое указанное отличительное свойство хромового покрытия приводит ктому, что остаточные напряжения, возникающие по мере роста толщиныпокрытия, передаются с его верхних, вновь формируемых слоёв, на нижние слои,непосредственно контактирующих с подложкой.
В случае напыления менеежестких,податливыхматериалов,возникающиевследствиепоявленияостаточных напряжений деформации релаксируются в нижележащих слояхпокрытия, и, таким образом, слои покрытия, непосредственно контактирующие сматериалом подложки, оказываются практически свободными от остаточныхнапряжений.Второе указанное отличительное свойство хромового покрытия приводит каналогичным последствиям. Вследствие сплошности контакта между верхнимслоем подложки и нижним слоем покрытия высокие значения сил адгезииполностью передаются в поверхностный слой подложки, создавая в нёмрастягивающие напряжения.Обращая внимание на материал и изготовителя подложек, подвергнутыхнапылению хромом с созданием тонкоплёночного покрытия повышеннойтолщины (9 мкм), можно заметить ряд важных закономерностей.
Так (опыт №42),обнаружено, что хромовое покрытие повышенной толщины не вызываетотслоения поверхностного слоя подложки из кварцевого стекла марки КУ-1,обработанного на ОАО «МЗЭМА», а также на подложке из поликора. Если вслучае поликора неотслаиваемость покрытия можно объяснить более высокойпрочностью поликора по сравнению с КУ-1, то в случае образца из КУ-1неотслаивание хромого покрытия повышенной толщины может быть объяснено146строгим соблюдением выполнения технологического процесса по шлифовке иполировке, включая термостабилизацию кварцевого стекла [78], при подготовкеповерхностей к напылению.Обращает на себя внимание также и то обстоятельство, что при реализацииопыта №42 напряжение смещения (UСМ = 400 В) на мишени НМ3 было меньше,чем в других опытах, таких как №43 и №45 (UСМ = 650 В). Это обстоятельствоможет приводить к двум последствиям: во-первых, интенсивность потока частицс мишени НМ3 в этом случае меньше, т.
е. меньше и итоговая толщина покрытия,а, во-вторых, менее интенсивное осаждение частиц хрома на подложку можетприводить к частичной релаксации остаточных напряжений в толще растущегопокрытия.Можно оценить скорость роста хромого покрытия при неподвижной схеменапыления с бокового магнетрона – она составляет q = 150 нм/мин.Анализируя причины отслаивания хромового покрытия повышеннойтолщины, следует обратить внимание на то, что это отслаивание сопровождаетсяскалыванием поверхностного слоя образцов – подложек из кварцевого стекламарки КУ-1 (Рис. 4.1).
Необходимо отметить, что эти образцы были изготовленыООО «Макрооптика». Можно предположить, что при полировании данныхобразцов все правила подготовки оптических поверхностей не были соблюдены.Рис. 4.1. Образцы с отслоившимся хромовым покрытиемЭтиправилазаключаютсявследующем.Подготовкаоптическихповерхностей на деталях из оптического стекла должна включать в себя два этапа147– шлифовку (доводку свободным абразивом) и полирование. При этом этапшлифовки должен включать в себя целый ряд выполняемых последовательноопераций доводки свободным абразивом с постоянным уменьшением зернистостиприменяемого абразива.
Главным критерием достижения каждой из доводочныхопераций своей цели является полное удаление нарушенного (трещиноватого)поверхностного слоя, сформировавшегося на предыдущей доводочной операции.При не соблюдении технологических критериев выполнения каждой издоводочных операций в поверхностном слое окончательно изготовленной деталиприсутствуют отдельные микротрещины.Особенность полирования оптических стекол заключается в том, что впроцессе обработки, наряду с протеканием физико-химических процессов,приводящих к удалению обрабатываемого материала – собственно, трещиноватогослоя – протекают также процессы, приводящие к закупориванию микротрещинповерхностногослояпродуктамиизноса,формирующимисявпроцессеполирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
