Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы Технология приборостроения
Шишлов А.В., аспирант Сагателян Г.Р., доктор технических наук, профессор
(Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана)
РАСЧЕТ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ
НАПЫЛЕНИИ
Разработана методика расчета ожидаемого распределения толщины тонкопленочного покрытия по напыляемой поверхности при магнетронном распылении мишеней на установках с планетарным механизмом перемещения детали.
Ключевые слова: приборостроение, магнетронное напыление, тонкопленочные покрытия, толщина покрытия, равномерность распыления, скорость формирования покрытия.
CALCULATION OF NON-UNIFORMITY OF THE LAYER THICKNESS DURING THE
MAGNETRON SPUTERRING
The method of calculating the expected distribution of the thickness of thin film coatings on a vapor-deposited surface by magnetron sputtering of targets, using vacuum coaters with a planetary movement mechanism of workpieces, is developed.
Keywords: gyroscopic devices, sputter deposition, magnetron sputtering, thin-film coating, thickness, uniformity of sputtering, evaporation rate.
Схема вакуумной установки представлена на рис. 1. Покрытие на деталь [1] наносят с двух одинаковых магнетронов, расположенных симметрично относительно вертикальной (сагиттальной) плоскости.
Свяжем с водилом карусели вакуумной установки систему координат XOY, которая совершает вращательное движение с частотой пв вокруг точки O. С сателлитом планетарного механизма свяжем систему координат xoy, расположенную на расстоянии R от точки O и совершающую вращательное движение с частотой пс вокруг точки o. Деталь располагается параллельно оси ox на расстоянии r от неё. Распыляемая поверхность магнетрона расположена под углом в к фронтальной плоскости на расстоянии D от оси вращения карусели. С источником распыления напыляемого материала, расположенным в точке О, свяжем систему координат %От]. Эта точка располагается на расстоянии хО от оси симметрии вакуумной камеры вдоль оси Ох, соответствующей плоскости мишени.
Рис. 1. Схема вакуумной установки ионно-плазменного напыления с магнетронным распылением мишеней: 1 - деталь, содержащая напыляемую поверхность; 2, 3 - сателлит и водило планетарного механизма карусели; 4, 5 - правый и левый магнетроны; 6, 7 и 8, 9 - диаграммы направленности источников напыляемого материала из мишеней правого и левого магнетронов
Принимая во внимание наработки, отраженные в имеющейся литературе [2], в дальнейшем будем предполагать, что в произвольной точке A поверхности детали скорость % роста толщины покрытия определяется величиной
h
% = k • —m • cos ф • cos £
р
(1)
где: к - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров частиц напыляемого материала и стехиометрии формируемого покрытия, мкм ' мм22ч1аст,ицу ' - максимум диа-
граммы направленности распыления,
частиц,
; р - расстояние от рассматриваемой точки A
на поверхности детали до точки на распыляемой поверхности мишени, мм; р - угол направленности, соответствующий рассматриваемой точке А (в литературе [2] он назван углом распыления); в - угол падения для точки А (или, что то же самое, угол конденсации [2]).
Очевидно, что для расчета скорости роста толщины покрытия в точке А необходимо рассчитать величины р, р и в, в ходящие в формулу (1).
Предлагаемая методика заключается в том, что отыскивается положение точки А на напыляемой поверхности детали в системе координат^/2?7, связанной с источником напыляемого материала. При повороте по часовой стрелке вокруг точки о системы координат хоу на
угол Р система координат XOY поворачивается вокруг точки O на угол а против часовой стрелки. Между углами и существует прямо пропорциональная связь Р~ nа .
Задача нахождения величин р, р и в решена в параметрической форме, приняв в качестве параметра угол поворота детали Р . Толщина H напыляемого материала в рассматриваемой точке A определяется интегрированием зависимостей <^(Р) по Р Для удобства расчета непрерывное планетарное движение сателлита, обеспечиваемое механизмом карусели, заменили двумя планетарными движениями: 1) от нулевого положения до поворота сателлита на угол Ртах; 2) от нулевого положения реверсом до поворота сателлита на угол рш;п. При этом величины Ртах и Ртщ для каждого из четырех точечных источников напыляемого материала определяются алгоритмически.
На рис. 2 приведена эпюра распределения толщины тонкопленочного покрытия, полученная при помощи специально разработанной компьютерной программы.
-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8-6-4-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Рис. 2. Расчетное распределение толщины тонкопленочного покрытия по напыляемой поверхности
детали
Можно видеть, что наибольшие и наименьшие расчетные толщины покрытия в различных точках напыляемой поверхности могут различаться по величине на 15 - 20%. Необходимо отметить, однако, что влияние не учитываемых нашими математическими моделями факторов процесса напыления может приводить к некоторому снижению разнотолщинности сформированного покрытия.
Таким образом, разработанная методика позволяет научно обосновывать конструкторские решения, принимаемые как при проектировании механизма карусели магнетронных установок планетарного типа, так и при проектировании технологической оснастки для крепления на механизме карусели деталей с различной геометрией напыляемой поверхности.
Работа выполнена в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Полученные результаты применяются на филиале ФГУП «ЦЭНКИ»-«НИИ ПМ им. В.И. Кузнецова».
ЛИТЕРАТУРА
1. Сагателян Г.Р., Новоселов К.Л., Шишлов А.В., Щукин С.А. Совершенствование технологического процесса изготовления пластины маятникового акселерометра. - Естественные и технические науки, №6(62), 2012. - М.: Изд-во «Спутник+». - С. 269 - 376.
2. Данилин Б. С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982. - С. 88-89.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.