ВКР: ВКР / Дипломная работа (Э-8) на тему "Магнетронная распылительная система для распыления магнитомягких материалов"

Что в архиве:

Оформление квалификационной работы:

Расчетно-пояснительная записка на _70_ листах формата А4.

Перечень графического (иллюстративного) материала (чертежи, плакаты, слайды и т.п.)

1. Лист А1 – Сборочный чертеж МРС________________________________________________

2. Лист А1 – Рабочие чертежи деталей конструкции МРС_______________________________

3. Лист А1 – Схема вакуумная______________________________________________________

4. Лист А1 – Схема электрическая______________________________________

5. Листы А1 – Результаты численных расчетов и математического моделирования_(2 листа)__

РЕФЕРАТ

Расчётно-пояснительная записка 88 с., 51 рис., 39 источников, 2 прил.
Объектом разработки является магнетронная распылительная система для распыления магнитомягких материалов.
Ток: 0,1÷1 А.
Мощность разряда: до 1 кВт.
Распыляемый материал: Никель.
Рабочее давление: 10^-2 Па.
Рабочий газ: Аргон.

СОДЕРЖАНИЕ
РЕФЕРАТ. 5
ВВЕДЕНИЕ. 7
Глава 1. Физика разряда. 10
1.1. Движение заряженных частиц в магнетронном разряде. 13
1.2. Столкновение электрона с ионами. 15
1.2.1. Ионизация электронным ударом. 15
1.2.2. Возбуждение электронным ударом. 17
1.3. Распределение электронов над поверхностью катода. 18
1.4. Описание движения заряженной частицы над мишенью.. 19
Глава 2. Конструкция магнетронной распылительной системы для распыления магнитомягких материалов. 22
2.1. Магнитные материалы.. 22
2.2. Выбор конструкции. 23
2.3. Описание элементов конструкции. 32
2.4. Расчёт магнитного поля вблизи мишени. 34
2.5. Тепловой расчёт конструкции. 42
2.6. Прочностной анализ 52
2.7. Расчёт траектории движения электрона вблизи мишени. 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 71
ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 76
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 87

ВВЕДЕНИЕ

Существуют различные методы нанесения тонких плёнок, в которые также входят термические. Одним из термических методов испарения материалов является метод ионного распыления с газоразрядной плазмой, который не находил широкого применения из-за низкой производительности и качества получаемых покрытий. Создание магнетронных распылительных систем (МРС) со скрещёнными электрическим и магнитным полями позволило увеличить эффективность метода ионного распыления. Возросли плотность плазмы и эффективность ионизации. Соответственно, плотность ионного тока и скорость ионного распыления возросли, снизилось требуемое давление газа, улучшились характеристики покрытий.
Достоинствами МРС является то, что во многих случаях она позволяет наносить те же покрытия, что и другие методы. При этом в осаждаемом на подложку потоке распылённого материала мишени отсутствует капельная фаза, что увеличивает качество покрытия. При помощи МРС возможно нанесения как однослойных, так и многослойных покрытий толщиной от нанометров до микрометров.
Катодом в МРС является сама мишень. Анодом может являться как подложкодержатель, так и стенки камеры. Поскольку потенциал разрядной плазмы близок к потенциалу анода, в этих системах напряжение, ускоряющее бомбардирующие мишень ионы, примерно равно разрядному напряжению. Отсюда следует, что в ионно-плазменных распылительных системах должен быть использован разряд с напряжением порядка 0,5 кВ и выше, который соответствует максимальному значению энергетической эффективности ионного распыления и и может поддерживаться при низком давлении. Этому требованию соответствует аномальный тлеющий разряд с питанием напряжением постоянного тока в системе с магнитным полем.
В качестве рабочего газа используется аргон. Аргон является относительно недорогим газом, инертность которого позволяет добиться большей чистоты процесса нанесения покрытия.
Главным элементом МРС является магнитная система. Существует две конфигурации магнитного поля: сбалансированная и несбалансированная. В сбалансированной магнитной системе магнитный поток, проходящий через внутренний полюс , равен магнитному потоку , проходящему через внешний полюс. В несбалансированной магнитной системе магнитный поток , проходящий через внутренний полюс магнитной системы, меньше магнитного потока, проходящего через внешний полюс . Магнитная система может быть представлена в виде электромагнитов или постоянных магнитов. Система с постоянными магнитами компактна, имеет простое устройство охлаждения, но со временем магнитные свойства постоянных магнитов падают. Электромагнитная система требует источник питания, устройства управления, также её система охлаждения более сложная из-за изоляции магнитной катушки. Однако такая система позволяет регулировать создаваемое магнитное поле. От магнитной системы требуется, чтобы параллельная составляющая магнитной индукции оставалась постоянной на как можно большем расстоянии. Тогда используется наибольшая часть мишени. Величина магнитной индукции должна составлять приблизительно 10^-2 Тл. Магнитопровод является важным элементом, так как на него устанавливаются магниты. Роль магнитопровода в МРС сходна с ролью магнитопровода в, например, трансформаторах. Магнитопровод необходим для того, чтобы магнитное поле не покидало область магнитной системы, а замыкалось на ней. По этой причине магнитопровод выполняется из магнитных материалов, например низкоуглеродистых сталей.
Одним из вариантов расположения МРС является установка элементов конструкции внутри камеры при помощи фланца, установленного в стенку камеры. Анодом служат стенки вакуумной камеры, поэтому для фланца необходима изоляция. Данный вариант расположения МРС представлен на рисунке 1.
1 —катод—мишень, 2 — стенки камеры, 3 — магнитная система, 4 — магнитопровод, 5 — изолятор, 6 — источник питания, 7 — подвод воды
Рисунок 1 — Схема расположения МРС с мишенью в виде диска внутри камеры [1]
Другим вариантом расположения МРС устанавливается через окно камеры таким образом, чтобы плоскость поверхности мишени совпадала с плоскостью стенки камеры. Данный вариант расположения МРС представлен на рисунке 2.
1 —катод—мишень, 2 — стенки камеры, 3 — магнитная система, 4 — магнитопровод, 5 — изолятор, 6 — источник питания, 7 — подвод воды, 8 — фланец
Рисунок 2 — Схема внешнего расположения МРС с мишенью в виде диска [1]
В обоих вариантах выбор стенки камеры как анода приводит к большей стабильности разряда [1].

Глава 1. Физика разряда

В магнетронных распылительных системах формируется плазма магнетронного разряда, также называемого диодным разрядом в скрещенных полях. Магнетронный разряд возникает, когда ионизованный газ охватывает весь катод. Увеличение тока позволяет увеличить плотность разряда, то есть увеличить скорость распыления материала мишени [2]. В свою очередь, вместе с током растёт и напряжение, в результате которого разряд слабее отдаляется от катода-мишени вдоль её оси [3].