Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления (1026305), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Кроме того, можно видеть, что угловаяскорость вращения сателлита w12 по абсолютной величине меньше, чем угловаяскорость вращения водила wВ.На Рис. 4.5 представлена схема для расчета кинематики детали принапылении её поверхности в рабочей области у дуальной магнетронной системы.В начальном положении (Рис. 4.5, а) напыляемая поверхность детали 1располагается перпендикулярно оси симметрии OY вакуумной камеры, занимаясимметричное положение относительно магнетронов 4 и 5, образующих дуальную171магнетронную систему. Расстояние от точек на напыляемой поверхности деталидо этих магнетронов может быть определено из заданных величин расстояний D,R и r (см.
Рис. 3.1). Формирование покрытия на напыляемой поверхности деталипроисходит в этом случае благодаря эмиссии напыляемого материала из областейраспыления мишеней 8, расположенных на двух магнетронах 4 и 5.Планетарное движение детали соответствует планетарному движениюсателлита 7 (Рис. 4.5, б). Здесь 6 и 7 – делительные окружности соответственновнутреннего зубчатого колеса и сателлита планетарного механизма.
Вращениюводила 2 (см. Рис. 4.3) соответствует эпюра скоростей на Рис. 4.5, б,представляющая собой прямоугольный треугольник, включающий в качествегипотенузы прямую, наклоненную к вертикали под углом wВ, причем wВ – этоугловая скорость вращения водила, т. е. величина, обусловленная скоростьювращения ротора электродвигателя, сообщающего вращение валу 7 черезременную передачу 9 на Рис. 4.3.НаРис.4.5,б,представленатакжеэпюраскоростейсателлита,представляющая собой прямоугольный треугольник, включающий в качествегипотенузы прямую, наклоненную к вертикали под углом w12, причем w12 – этоугловая скорость вращения сателлита. При этом водило 2 вращается с угловойскоростью wВ, а внутреннее зубчатое колесо 6 вращается с угловой скоростью w11.Это приводит к тому, что сателлит 7 вращается с угловой скоростью w12 вокругМ.Ц.С.
Мгновенный центр скоростей обнаруживается следующим образом. НаРис. 4.5, б, имеется вектор V12, направленный горизонтально и равный поабсолютной величине произведению величины wВ на величину R. Вектор скоростиV12 одинаков для сателлита и водила. Также на Рис. 4.5, б, имеется вектор V11,направленный горизонтально и равный по абсолютной величине произведениювеличины w11 на величину rД11. Вектор скорости V11 одинаков для сателлита ивнутреннего зубчатого колеса, поскольку представляет собой скорость в точкеконтакта делительных окружностей 6 и 7.Мгновенный центр скоростей представляет собой точку пересеченияпрямой, проходящей через концы векторов V11 и V12 с вертикальной осью.172Рис.
4.5. Схема напыления дуальной магнетронной системой (а) и план скоростейпри напылении (б)1 – напыляемая деталь, 2 – водило планетарного механизма, 3 – держатель детали,4, 5– правый и левый магнетроны дуальной системы, 6 – внутреннее зубчатоеколесо, 7 – зубчатое колесо-сателлит, 8 – области распыления дуальных мишеней173В итоге получается угловая скорость вращения сателлита w12, равная углунаклона упомянутой прямой, ограничивающей эпюру скоростей сателлита.
Приэтом водило 2 вращается с угловой скоростью wВ, а внутреннее зубчатое колесо 6вращается с угловой скоростью w11. Это приводит к тому, что сателлит 7вращается с угловой скоростью w12 вокруг М.Ц.С.Можно видеть, что кинематический режим, отображенный на Рис. 4.5, б,характеризуется тем, что внутреннее зубчатое колесо 6 и водило 4 вращаютсясинхронно в одну сторону, но при этом сателлит 7, несущий напыляемую деталь,в отличие от предыдущего случая, вращается синхронно в ту же сторону. Такжеможно видеть, что, в отличие от предыдущего случая, угловая скорость вращениясателлита w12 по абсолютной величине больше, чем угловая скорость вращенияводила wВ.На Рис. 4.6 показаны графики распределений толщины покрытия понапыляемой поверхности детали для условий напыления, соответствующихвариантам на Рис. 4.4 и Рис.
4.5. При этом напыление детали при её перемещениив пределах рабочей области у одиночного неподвижного магнетрона (Рис. 4.4)приводит к формированию покрытия, распределение толщины которого понапыляемой поверхности описывается графиком 1 (Рис. 4.6, а). Можно видеть, чтораспределение толщины покрытия является симметричным и выпуклым.Напыление детали при её перемещении в пределах рабочей области удуальной магнетронной системы (Рис.
4.5) приводит к формированию покрытия,распределение толщины которого по напыляемой поверхности описываетсяграфиком 2 (Рис. 4.6, б). Можно видеть, что в этом случае, так же, как и впредыдущем, распределение толщины покрытия является симметричным, однако,в отличие от предыдущего случая, это распределение является вогнутым. Следуетотметить,что,хотяраспределениетолщиныпокрытия,формируемоеодновременной работой обоих магнетронов дуальной магнетронной системы,является симметричным (график 2), но вклад каждого из магнетронов являетсянесимметричным и описывается графиками 3 и 4 соответственно.174а)б)в)Рис. 4.6. Графики распределения толщины покрытия по поверхности детали прикомплементарном нанесении двух слоев покрытия по отдельности сформированием результирующего равнотолщинного двухслойного покрытия1 – профиль распределения толщины покрытия первого режима, 2 – профильраспределения толщины покрытия комплементарного режима, 3 – вклад втолщину покрытия от правого магнетрона дуальной системы, 4 – вклад в толщинупокрытия от левого магнетрона дуальной системы, 5 – итоговый профильраспределения толщины покрытия175Тот факт, что напыление детали в рабочих зонах у неподвижного магнетронаи у дуальной магнетронной системы приводит к образованию симметричныхформ распределения толщины покрытия, имеющих соответственно выпуклость ивогнутость, позволяет обеспечивать одинаковость толщины покрытия по всейнапыляемой поверхности за счет её напыления поочередно в двух указанныхрабочих зонах.На Рис.
4.6, в, показано, как, напыляя покрытие поочередно в рабочихобластях у неподвижного магнетрона и у дуальной магнетронной системы,получают покрытие равной толщины, описываемое графиком 5.Таким образом, будучи реализованы последовательно, первый и второйрежимы обеспечивают получение на напыляемой поверхности покрытия равнойтолщины, описываемого графиком 5 (Рис. 4.6, в). Взаимно комплементарныережимы напыления отличаются параметрами работы магнетронных головок ипланетарныхдвиженийсателлитов.Планетарныедвижениясателлитовразличаются как реверсированием взаимных направлений вращения сателлита иводила планетарного механизма, так и соотношением между угловымискоростями этих вращений.В результате обеспечивается общее двухслойное нанопокрытие равнойтолщины по всей поверхности подложки с требуемой степенью точности.На устройство нового планетарного механизма и способ напыления поданазаявка на изобретение [93].4.3.2.
Реализация предлагаемого способа на усовершенствованнойвакуумной магнетронной установкеВ качестве примера рассматривали изготовление комбинированных ГОЭДОЭ. Имели диэлектрические оптически прозрачные (стеклянную, кварцевую, излейкосапфира) пластины – подложки размером 40х50 мм. На поверхностиподложки должны быть выполнены так называемые плазмонные дифракционныерешетки (ПДР).
Для создания ПДР необходимы нанометровые параметрытолщины наносимого покрытия.В качестве материала для создания поверхностных плазмонов применяли176алюминий,которыйнапылялиссозданиемтонкопленочногопокрытиянанометровой толщины. Для работы алюминиевого покрытия в режимеповерхностного плазмонного резонанса его толщина должна составлять 40-50 нм.Рассчитывая комбинированный ДОЭ-ГОЭ методом усеченных Фурье-мод спомощьюспециализированногопрограммногообеспечениядлясозданияплазмонных дифракционных решеток со спектрально-угловой селективностью,получили, что толщина металлического покрытия из алюминия являетсяединственно допустимой и составляет 43 нм.Операцию напыления этого функционального покрытия производили нарассматриваемой установке.
В качестве плазмообразующего газа использовалсяазот. Операция осуществлялась за два перехода, различающихся режимаминапыления, включающими геометрические, кинематические и физико-химическиепараметры.Первый переход реализовывал первый режим напыления, т. е. выполнялсявозвратно-вращательным движением детали напротив единичного боковогомагнетрона (поз. 9 на Рис. 3.1), оснащенного мишенью из алюминия.Схема напыления представлена на Рис. 4.4, а режим перехода включалследующие параметры:- расход плазмообразующего газа (азота) 123,8 scsm (стандартных кубическихсантиметров в минуту);- что создавало в камере вакуум с давлением p = 0,16 Па;- на подвеску, несущую напыляемую деталь подавалось опорное напряжениеUОП = –800 В;- при этом фиксировался ток IОП = 0,2 А;- на магнетрон подавалось напряжение смещения UСМ = –375 В;- при этом фиксировался ионный ток I = 1 А;- экспериментально установленная скорость напыления алюминия при такихусловиях составляла q = 0,1 нм/с;- водило совершало возвратно-вращательные движения с частотой nВ = 7,8дв.ход/мин., что соответствовало угловой скорости ωВ = 0,82 с–1 (см.
Рис. 4.4, б);177- с размахом углов поворота водила от –110° до + 110°;- при этом одновременно и синхронно внутреннее зубчатое колесо планетарногомеханизма совершало возвратно-вращательные движения в ту же сторону счастотой nЦ = 10,8 дв.ход / мин.,чтосоответствовалоугловой скоростиω11 = 1,13 с–1 (см. Рис.
4.4, б);- с размахом углов поворота внутреннего зубчатого колеса от –154° до + 154°;- продолжительность напыления на этом переходе составило t = 120 c.Геометрические характеристики первого перехода следующие:- расстояние от магнетрона до детали в начальном положении S = 50 мм;- радиус расположения деталей на сателлите планетарного механизма r = 37 мм;- радиус водила планетарного механизма R = 145 мм;- расстояние между источниками напыляемого материала на мишени l = 36 мм.Сформировалосьпокрытие,распределениетолщиныкоторогопоповерхности детали представлено на Рис.
4.6, а. Из его рассмотрения можновидеть, что толщина покрытия находится в диапазоне 10,9…11,9 нм, т. е.разнотолщинность покрытия составляет 1 нм, что означает погрешностьпримерно в 10 %.Далее, в той же камере осуществляли второй переход операции напыления.Второй переход реализовывал комплементарный режим напыления, т. е.выполнялся возвратно-вращательным движением детали напротив сдвоенныхмагнетронов (см. Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
