Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления, страница 7

Наибольшие технологические проблемы возникаютпри напылении подслоя из хрома и золотого покрытия на упругие перемычки сдвух сторон, которые могут отличаться жесткостью из-за неравномерногонапыления данного покрытия.6. Причиной неудовлетворительных эксплуатационных характеристик ТНЭВОГ, изготавливаемых химическим способом, является неизбежная операциятравления резистивного материала с формированием меандровой конфигурации.Решением этой проблемы может стать напыление тонкопленочного резистивногопокрытия сплошным слоем. При этом основной становится задача обеспеченияравномерности толщины нанесенного покрытия.7. Технологический анализ конструкции кварцевой пластины МА позволяетпринять плазмохимическое травление в качестве технологического способасоздания на поверхностях пластины как выступов высотой 20…25 мкм, так иуглублений, глубиной до 250 мкм.

При этом маскирующим покрытием (маской)40для выполнения операций ПХТ должны быть химически стойкие материалы,нанесенные методами тонкопленочной технологии.8. Рассмотрениезакономерностейитехнологическихособенностейпроцесса ПХТ позволяет предложить в качестве химически стойких материалов,которые могут найти применение в качестве материала маски, имеющиеся вотрасли тонкопленочные покрытия, например покрытия системы TiAl [83].9. Диэлектрическиеоснованиярассматриваемых,подлежащихсовершенствованию деталей гироскопических устройств, а именно – плат ТНЭВОГ и тонких кварцевых пластин МА, характеризуются тем, что они недопускают нагрева до температур свыше 100 °С. Поэтому в качестве методасоздания тонкопленочных покрытий следует рассматривать напылениеввакуумной камере с магнетронным распылением мишеней из применяемыхфункциональных материалов.10.

Рассматриваемые тонкопленочные покрытия характеризуются тем, чтодля создания каждого из них требуется применение нескольких функциональныхматериалов. Резистивные тонкопленочные покрытия, а также покрытия системыTiAl предусматривают применение не менее двух материалов. При нанесении жепроводящего покрытия, например золота на кварцевую пластину МА, необходимподслой из хрома, т. е. напыляемых материалов также оказывается не менее двух.Поэтому целесообразной представляется дуальная схема напыления при сложнойтраекториидвижениянапыляемыхподложек,напримерсприменениемтехнологической оснастки карусельного типа [67].11.

Анализ оборудования для нанесения тонкопленочных покрытий длядеталей гироскопических приборов показал, что обеспечение отклонений отравнотолщинности менее 10% представляет собой технологическую проблему.12. Рассмотрение принципов конструктивного устройства магнетронныхнапылительных установок позволяетнапыляемойповерхностидетали,выбрать вертикальноепосколькуприэтомрасположениеминимизируетсязагрязнение напыляемого покрытия при использовании магнетронов протяженнойконструкции.4113. Для обеспечения равномерности покрытия, наносимого с применениемтехнологической оснастки карусельного типа, следует решить задачи нахождениянаиболеерациональнойкинематикидвиженияподложекотносительномишеней [66].1.7.

Цель и задачи исследованияЦелью диссертации является повышение равномерности тонкопленочныхпокрытий, получаемых магнетронным распылением мишеней на установках спланетарным движением подложки для деталей гироскопических приборов.Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решеныследующие задачи:1. Разработана математическая модель и программное обеспечение длярасчета скорости роста толщины покрытия в заданной точке подложки ипрогнозирования формы распределения толщины покрытия по напыляемойповерхности в зависимости от технологических факторов операции напыления.2. Определены численные значения коэффициентов модели, обусловленныестехиометрией напыляемого материала и техническими параметрами установки.3.

На основе результатов математического моделирования определенынаиболее рациональные кинематические режимы установки, обеспечивающиезаданную равномерность наносимых покрытий.4. Предложен способ модернизации серийных вакуумных установок длянанесениятонкопленочныхравномерностинапокрытийосновеэкспериментальных результатов.спримененияобеспечениемполученныхзаданнойвКДрасчетныхи42Глава 2.

Анализ формирования толщины тонкоплёночного покрытия наустановках с планетарным механизмом перемещения подложекВ рамках решения первой задачи отметим, что обеспечить равномерностьтолщины покрытия можно, зная скорость роста толщины в каждой точкенапыляемой поверхности. Предложена математическая модель, устанавливающаязависимость скорости роста толщины покрытия от факторов процесса напыления.2.1. Формирование толщины тонкоплёночного покрытия при фронтальномнеподвижном расположении подложкиСвяжем с водилом карусели вакуумной установки систему координат XOY,которая совершает вращательное движение с частотой nВ вокруг точки O(Рис.

2.1). С сателлитом планетарного механизма свяжем систему координат xoy,совершающую вращательное движение с частотой nС вокруг точки o. Детальрасполагается параллельно оси ox на расстоянии yW от нее. Распыляемаяповерхность магнетрона расположена под углом q к фронтальной плоскости нарасстоянии D от оси вращения карусели.

С источником распыления напыляемогоматериала, расположенным в точке W, свяжем систему координат cWh. Эта точкарасполагается на расстоянии cW от оси симметрии вакуумной камеры вдольоси Wc, соответствующей плоскости мишени.Предполагаем, что в произвольной точке A поверхности детали скоростьроста ξ толщины покрытия [69] по закону Ламберта-Кнудсена [68] будетопределяется величинойx =K×hm× cos j × cos e ,r2где2K – коэффициент осаждения материала, мкм × мм частицу ;hm – максимум диаграммы направленности распыления, частиц с ;r – расстояние от источника до рассматриваемой точки, мм;(2.1)43j - угол направленности,соответствующийрассматриваемойточкеA(влитературе [32] он назван углом распыления);e - угол падения для точки A (или, что то же самое, угол конденсации влитературе [32]).Рис.

2.1. Схема вакуумной установки ионно-плазменного напыления смагнетронным распылением мишеней1 – деталь, содержащая напыляемую поверхность, 2, 3 – сателлит и водилопланетарного механизма карусели, 4, 5 – правый и левый магнетроны,6, 7 и 8, 9 – диаграммы направленности источников напыляемого материала измишеней правого и левого магнетронов44Вначале рассмотрим неподвижное расположение детали (Рис. 2.2).

В этомположении оси OX и ox и напыляемая поверхность детали параллельныфронтальной плоскости. Искомые параметры для математической модели, аименно:1) расстояние r от рассматриваемой точки A на поверхности детали доточки W на распыляемой поверхности мишени,2) угол направленности j от точки W на точку A,3) угол падения распыляемого вещества на поверхность детали e,могут быть определены из рассмотрения треугольника AKW.Рассчитаем входящие в формулу (2.1) величины r, j и e.

Из рассмотренияrAKW имеемWA = r = WK 2 + AK 2 - 2 × AK × WK cos(900 + q ) == WK 2 + AK 2 + 2 × AK × WK sin q ,(2.2)где q – угол наклона плоскости мишени к фронтальной плоскости установки, вкоторой расположена напыляемая поверхность детали. Этот конструктивныйпараметр установки можно считать заданным.Рассчитаем величину WK, которая является стороной rAKW. Плоскостьмишени и фронтальная плоскость пересекаются в точке F.

ТогдаWK = WF × tgq ,(2.3)при этомWF = BF - c W ,причем cW – конструктивный параметр установки, который также можно считатьзаданным (известным).Далее имеемD- (Yo + yo )BC BO - (Yo + yo ) cos qBF ===,sin qsin qsin qгдеD – расстояние от плоскости мишени до центра вращения карусели;45Yo – расстояние от центра карусели до оси вращения приспособления детали;yo – расстояние от оси вращения приспособления детали до напыляемойповерхности.Конструктивные параметры D, Yo и yo могут считаться заданными.Подставляя эти зависимости в формулу (2.3),имеем:é Dù+(Yy)ooêúDY + yoWK = ê cos q- c W útgq =- o- c Wtgq .2qqqsincoscosêúëû(2.4)Перейдем к расчету величины AK – другой стороны в rAKW. Еслиобозначить через xA координату текущей рассматриваемой точки A, то имеемAK = x A + CK .(2.5)Очевидно, что CK = EC × tgq .

При этомEC = BE - BC =cWé Dù-ê- (Yo + yo ) ú.sin q ë cos qûПодставив эти выражения в формулу (2.5), получаемì cé DùüAK = x A + í W - ê- (Yo + yo ) ú ýtgq .ûþî sin q ë cos q(2.6)Оказывается, что в rAKW теперь известны три элемента: две стороны, аименно WK и AK, и угол между ними. Следовательно, можно определить иостальные – искомые элементы этого треугольника.Третья сторона в rAKW, представляющая собой искомую величину r,рассчитывается по формуле (2.2).Угол j (см.

Рис. 2.2) может быть определен по известной формуле решениятреугольников, которая в данном случае запишется в видеtgj =AK sin(90 0 + q ).KW - AK cos(90 0 + q )После тождественных преобразований получаемj = arctgAK cosq.KW + AK sin q(2.7)46Рис. 2.2. Схема для расчета распределения толщины покрытия по напыляемойповерхности детали при неподвижном положении детали47Угол e (см. Рис. 2.2) может быть определен аналогичным образомWK sin(90 0 + q )tg (90 - e ) =.AK - WK cos(90 0 + q )0Поэтомуe = arctgОпределениеожидаемогоAK + WK sin q.WK cosqраспределениятолщины(2.8)покрытиявдольповерхности детали сводится к расчету по формуле (2.1), в которой величины K иhm принимают за постоянные, определяемые экспериментально (см. гл.

3, раздел3.7), описанные аналогично в [89]. Входящие в формулу (2.1) величины r , j и eрассчитываются по формулам (2.2), (2.7) и (2.8) на основе определения величинAK и KW по формулам (2.6) и (2.4). Искомое распределение описывается в итогеграфиком x(xA), форма которого аналогична полученному в работе [41].2.2. Формирование толщины тонкоплёночного покрытия припроизвольном неподвижном положении подложкиПерейдем к рассмотрению возможностей расчета толщины покрытия поформуле (2.1) при планетарном движении детали.

Расчетная схема для прямогонаправления движения механизма представлена на Рис. 2.3 для правогомагнетрона и на Рис. 2.4для левого магнетрона, а для случая реверсивногодвижения механизма – на Рис. 2.5.Расположение детали относительно мишени возникает при повороте водилакарусели, с которым связана система координат XOY, на угол a против часовойстрелки и одновременном повороте системы координат сателлита, с которымсвязана система координат xoy, на угол b по часовой стрелке.Рассматриваем rAKW. Имеемe = 90° - ÐWAK;j = ÐAWK;r = WA .Это и есть искомые величины, входящие в формулу (2.1).48Рис. 2.3. Схема для расчета распределения толщины покрытия по напыляемойповерхности при планетарном движении детали для правого магнетрона49Рис.