CC BY
23
Оригинальная статья / Original article УДК 620.9
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-1 -159-167
РЕГУЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПЕРЕНАСТРАИВАЕМОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ С МИШЕНЬЮ КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ
1 9
© А.Г. Дьяконов', Р.К. Фаттахов2
Уфимский государственный авиационный технический университет, Российская Федерация, 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Расширение функциональных возможностей технологии магнетронного напыления материалов при обработке подложек сложной геометрии. МЕТОДЫ. Характер распределения составляющих магнитного поля определяется в перенастраиваемой магнетронной распылительной системе (ПНМРС), имеющей мишень конечной ширины, путем решения уравнения Лапласа. РЕЗУЛЬТАТЫ. Приведены теоретические зависимости составляющих магнитного поля в ПНМРС в зависимости от параметров ПНМРС и скорости перемещения катода -мишени. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Показана перспективность данного метода расчета магнитных полей в зазоре ПНМРС при напылении (обработке) протяженных подложек сложной геометрии (например, лопаток газотурбинного двигателя) при использовании вакуумной ионно-плазменной обработки.
Ключевые слова: магнетронные распылительные системы, магнитные поля, подложки сложной геометрии, термо- и износостойкие покрытия.
Формат цитирования: Дьяконов А.Г., Фаттахов Р.К. Регулирование магнитного поля в перенастраиваемой магнетронной распылительной системе с мишенью конечных размеров // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 1. С. 159-167. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-159-167
MAGNETIC FIELD REGULATION IN THE RETUNED MAGNETRON SPUTTERING SYSTEM WITH A TARGET OF FINAL SIZES A.G. Dyakonov, R.K. Fattakhov
Ufa State Aviation Technical University,
12, K. Marks St., Ufa 450000, Russian Federation
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to extend the functional capabilities of the magnetron sputtering technology when machining the substrates of complex geometry. METHODS. Laplace's equation is used to determine the distribution nature of magnetic field components in the retuned magnetron sputtering system (RMSS) with the target of final sizes. RESULTS. The theoretical relationships of magnetic field components in RMSS are given depending on RMSS parameters and movement speed of the target cathode. CONCLUSION. The prospects of this method of magnetic field calculation in RMSS gaps under sputtering (processing) of long substrates of complex geometry (for example, gas turbine engine blades) is shown when using vacuum ion-plasma treatment.
Keywords: magnetron sputtering systems, magnetic fields, substructures of complex geometry, heat -and wear-resistant coatings
For citation: Dyakonov A.G., Fattakhov R.K. Magnetic field regulation in the retuned magnetron sputtering system with a target of final sizes. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 1, pp. 159-167. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-159-167
Введение
Применяемая в настоящее время во многих отраслях промышленности ионная обработка поверхности и, в частности, одна из ее разновидностей - магнетронное напыление материалов, имеет как преимущества, так и существенные недостатки [1]. Применение этой тех-нлогии позволяет получать разнообразные пленки металлов и неметаллов на поверхностях
1
Дьяконов Алексей Геннадьевич, старший преподаватель кафедры электромеханики, e-mail: [email protected]
Aleksei G. Dyakonov, Senior Lecturer of the Department of Electrical Engineering, e-mail: [email protected]
2Фаттахов Рамиль Касымович, доцент кафедры электромеханики, е-mail: [email protected]
Ramil K. Fattakhov, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering, е-mail: [email protected]
m Энергетика
Ses Power Engineering
различных изделий (подложках), придающие этим изделиям необходимые самые разнообразные свойства и характеристики. Однако ее использование достаточно дорого. Одним из путей снижения затрат является расширение функциональных возможностей этой технологии, что может быть достигнуто применением перенастраиваемых магнетронных распылительных систем [2-4].
Цель исследования
Целью исследования является расширение функциональных возможностей технологии магнетронного распыления материалов с использованием ПНМРС при металлизации протяженных (сопоставимых с размерами катода-мишени) подложек сложной геометрии.
Объектом исследования является планарная ПНМРС с вращательным движением катода-мишени относительно магнитной системы, приведенная в [4]. Там же приведены выражения для расчета составляющих магнитного поля в зависимости от параметров системы и скорости вращения катода-мишени относительно магнитной системы при допущении, что вся система бесконечна по двум осям координат. На практике же часто актуальной является задача по определению характеристик магнитного поля при конечных ширине и толщине катода -мишени, а в перспективе и при неоднородных его характеристиках. Согласно [1], планарная магнетронная распылительная система (МРС) традиционной конструкции (рис. 1) состоит из катода-мишени 1, расположенного над верхней торцевой поверхностью магнитопровода 2 Ш-образной формы, анода 3, расположенного над катодом по внешнему контуру постоянных магнитов 4, установленных на центральный полюс, источника постоянного напряжения 5, к которому подключены анод и катод.
X
5
Рис. 1. Устройство магнетронной распылительной системы: 1 - катод-мишень; 2 - магнитопровод; 3 - анод; 4 - постоянный магнит; 5 - источник постоянного напряжения Fig. 1. Magnetron sputtering system device 1 - target cathode; 2 - magnetic core; 3 - anode; 4 - permanent magnet; 5 - constant voltage source
Согласно [4], конструкция катодного узла планарной ПНМРС, представленная на рис. 2, включает индуктор (магнитную систему) 1, выполненный на постоянных магнитах. Над индук-
m Энергетика
Ses Power Engineering
тором 1 установлен с возможностью вращения медный водоохлаждаемый держатель 2 с закрепленным на нем катодом-мишенью 3 из распыляемого материала. Над катодом-мишенью 3 располагается покрываемая деталь (подложка) 4 сложной геометрической формы, перемещаемая по двум или трем координатам. ПНМРС размещена внутри вакуумной камеры, привод держателя 2 осуществляется через вакуумный ввод от двигателя, размещенного вне вакуумной камеры (на рис. 2 они не показаны).
При вращении держателя 2 в переменном магнитном поле в нем возникают вихревые токи, искажающие первичное магнитное поле, создаваемое индуктором 1. Меняя скорость (частоту вращения) держателя 2, зможно изменять распределение магнитного поля в зазоре ПНМРС и таким образом управлять характеристиками технологического процесса.
В отличие от [4], при конечных размерах держателя 2 с закрепленным на нем катодом-мишенью 3 по радиусу системы необходимо учитывать краевой эффект, т.е. искажение поля в периферийных по оси у зонах МРС (см. рис. 2). Таким образом, нужно учитывать у-ю составляющую магнитного поля, тогда расчетная схема будет выглядеть, как показано на рис. 3.
Для перехода к ней держатель 2 разрезаем по радиусу и вытягиваем в плоскость. Учитывая периодичность расположения индукторов (магнитных систем) 1 под держателем 2, достаточно рассмотреть область лишь одной магнитной системы, имеющей полюсное деление т . Кроме того, рассматриваем МРС со снятой мишенью 3, т.е. катодом является медный держатель 2, установленный с возможностью перемещения по оси 2 со скоростью у = относительно магнитной системы.
Рис. 2. Конструкция катодного узла планарной ПМРС: 1 - индуктор (магнитная система); 2 - медный водоохлаждаемый держатель; 3 - катод-мишень; 4 - покрываемая деталь (подложка) Fig. 2. Structure of the cathode assembly of the planar retuned magnetron sputtering system: 1 - inductor (magnetic system); 2 - copper water-cooled chuck; 3 - target cathode; 4 - coated part (substrate)
Рис. 3. Расчетная схема Fig. 3. Calculation model
Методы исследования
Электромагнитные процессы, протекающие в ПНМРС, могут быть описаны известными уравнениями Максвелла для медленно движущихся изотропных (однородных по л и с) проводящих сред [5]:
rot H = j + jcm ; (1.1)
rotE = - ; (1.2) dt
j = œ(E + [v x B ] ; (1.3)
В = ju-H; (1.4)
divB = 0; (1.5)
(1)
>
где В - вектор магнитной индукции результирующего поля в зазоре; Е, Н - векторы напряженности электрического и магнитного полей индуктированных токов; V - вектор скорости движения среды относительно выбранной системы координат; у - вектор плотности индуктированного тока проводимости; уснг - вектор плотности стороннего тока, обусловленный действием посторонних источников тока - в нашем случае = о; с - электрическая
проводимость материала держателя.
Допущения, принимаемые для решения этой задачи, за некоторыми исключениями, аналогичны представленным в [2]:
1. Магнитная проницаемость стали индуктора (магнитной системы) 1 , ее
электрическая проводимость ссот = о.
2. Электрическая проводимость медного держателя 2 постоянна, с = с^, его магнитная проницаемость = .
3. Держатель 2 перемещается относительно индуктора 1 с линейной скоростью у = юЯ, где со - угловая скорость вращения держателя; Я - радиус, на котором размещены оси индукторов (магнитных систем) 1 (см. рис. 2).
4. Индукция магнитного поля в зазоре (область 1) меняется по гармоническому закону по координате 2:
5.
В = В0еКш с),
где сх = —, т - полюсное деление индуктора (магнитной системы) 1 (см. рис. 3).
т
6. Пространство за держателем (при х > 3 + Ъ) однородно; с = 0 , ^ = ^ .
При конечной ширине держателя 2 (см. рис. 3) появляются составляющие напряженности Иу1, Иу2, Ну3. Согласно [6], решение уравнения Лапласа в этом случае можно искать в виде рядов.
Комплексные амплитуды напряженности магнитного поля Нт в области 1 будут равны:
= X га^СуСкуу х + ОуЗкуу х )соъ 6уУ;
у=0
да
нту1 = Хву (СускГу х + ВуЯкГу хЬт вуу;
у=0
да
Нтх1 =~ХУУ^СУСНУУ Х + Ву8НУУ Х )СО*вУ У' Для области 3:
v=0
Hmzз = jriaKve~7vX cos6vy;
v=0
œ
HHmy 3 =ЪвКе^х sin6„y;
v=0 œ
Hmx3 =jrvKvecos6Vy.
v=0
(2)
(3)
В области 2:
Hmz 2 =YJ<Mzvchßv x + Nzvshßv x)cos6v y;
v=0
H my 2 = Y,(Myvchßv x + Nyvshßv x)sm6vy; >
v=0
œ
Hmx 2 = j{MxVchßv x + Nxvshßv x)cos 6vy.
v=0
(4)
Учитывая быструю сходимость рядов (2)-(4) с ростом координаты х, ограничимся пер-
выми их членами:
Для области 1 :
Hmzl = ia(Cchyx + Dshyx )cos Oy; HHmyi = O(Cchpc + Dshyx)smOy; Hmxl = —y(Cshyx + Dchyx)cos Oy.
Для области 3:
(5)
Hmz3 = iaKe х cos Oy; Лтуз =OKesin Oy; Hm.3 =yKe—" cos Oy.
(6)
Для области 2:
Hmz 2 = (Mzchßx + Nzshßx )cos Oy; Hi my 2 = MyChßx + Nyshßx)sin Oy; Hmx 2 = MxChßx + N*shßx)cos Oy.
(7)
Здесь:
ß2 = a2 +O2 + iu0ows = yl + iu0ows,
(8)
X2 =a2 +O2,
(9)
0=^ .
2a
(10)
Очевидно, что при Х^ж, о , Н^ , Нуг , Н^3 ^ 0 (расчетная схема рис. 2 в [4]).
Определим постоянные интегрирования С, й, К, М, М, используя граничные условия, согласно [6]:
С =
i4An
(11)
G
_ 4iAmßch (ß(S + b))
anchy&h.ßb[yß(\ + lhyS)+(ß2 + y2thyS)thßb\
(12)
na
где Ат = А - линейная плотность тока индуктора 1 [6].
или
yey(S+b )
K = G-^—,-^, (13)
ch ß(S + b))
к =_ 4iAßyey(S+b >_
ажИ (yS)ch (ßb )[yß(\ + thyS)+(ß2 + y2thyö)thßb] '
T = -G(ß + ythy(S + b)), (15)
W = G[ß + ythySs + b)] (16)
y2
Nx W, (17)
x ß
Ny =6T, (18)
N = iaT, (19)
y2
M T, (20)
x ß
Mz = iaW, (21)
My = 6W, (22)
ур(1 + 1.Иу3)+{у21.Иу3 + р2 }.ИрЬ'
С точки зрения технологии вакуумной обработки наиболее интересны выражения для области 3.
Перепишем (6):
й =__4aAß—er(S+b)_ e^cosa/-
mz 3 anch (yS)ch (ßb)[yß(1 + th—S) + (ß2 + y2thyS)thßb\e Ш ;
__ 4iOAß—er(S+b)__— s.n .
m 3 = anch (yS)ch (ßb)[ß(1 + th/S)+ (ß2 + y2thyS)thßb\e s ; '
,r(8+b )
H m 3 = anch (yS)ch (ßb)[rß(1 + thyS) + (ß2 + r2thyö)thßb\e cos
Или согласно [6], учитывая допущение 5:
В =__a H0№As+b )_ ^^ s
тгЪ anch (yd)ch (fibjiyp(\ + th y8)+(fi2 + y2thy8)thfib] ;
К3 =--4OUH 0ße -- e-- sin Oy; f (25)
my3 anch(yS)ch(ßb)[ß(1 + thyS) +(ß2 + r thyS)thßb\
Am,3 = „„„ 2. ^Л e —r cosOy.
Результаты исследования
Результаты исследования целесообразно представить в виде реальных физических
I (<®1 —аъ)
величин Вгз, Вх3 и Вуз как функций координат и времени. Для этого (25) умножаем на е и берем реальную часть полученного произведения:
у (д+Ь) I (ю1-а) ^
Bz3 =--^ ?.. e"* cosOy;
By3 =---uHoß r e—^--- — * sin Oy;
У (26)
_4ф0 H0 pye 7 (8+b )el (at -az)_
_ anch7yS)ch(pb)[p(l + thyS)+(fi2 + y2thyS)thpb]'
B =_4M H0Py2ey(^b)ei(^-az) ^^ ^
x3 anch (yS)ch (pb)[yp(\ + th yS)+(fi2 + y 2th yS)thpb\ в COSty-
Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных
Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных по определению магнитных полей проводился аналогично [3] для Во = ц0Н0 = 0,15 Тл, полюсное деление
о о
т = 0,05 м; 8 = 2-10 м; b = 3-10 м. Разница максимальных теоретических и экспериментальных значений Bz3 составляет 7%, максимальное отклонение экспериментального значения от теоретического - 15%. Зона достаточной скорости эрозии мишени (Bz3 > 0,1 Т) составляет от 71% для теоретической функции и 61% для экспериментальной. Аналогично для составляющей Вх3 - разница максимальных теоретических и экспериментальных значений составляет 11%, максимальное отклонение экспериментального значения от теоретического - 12%.
Заключение
Полученные формулы для составляющих магнитного поля в ПНМРС позволяют производить инженерные расчеты магнетронных систем данного типа и отрабатывать характеристики технологического процесса при получении покрытий за счет изменения как параметров ПНМРС, так и скорости перемещения катода-мишени относительно магнитной системы. Используя выражения (26), удалось добиться большей корреляции в результатах теоретического и экспериментального определения составляющих Вх3 и Bz3 по сравнению с выражениями (67) и (68) в [4] для данных значений z и x. Используя теоретические расчеты распределения магнитного поля и применения их в технологическом процессе, можно получать равномерные по толщине покрытия с высокой адгезией на протяженной подложке при данных параметрах ПНМРС или, при неизменных характеристиках технологического процесса, оптимизировать параметры самой ПНМРС (размеры катода-мишени, держателя, индуктора (магнитной системы)).
Библиографический список
1. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радиосвязь, 1982. 72 с.
2. Дьяконов А.Г. Магнитные поля в перенастраиваемой магнетронной распылительной системе // Вестник ИрГТУ. 2013. № 8 (79). С. 185-190.
3. Дьяконов А.Г., Лебедев В.А. Результаты теоретического и экспериментального определения магнитных полей в перенастраиваемой магнетронной распылительной системе // Вестник ИрГТУ. 2014. № 6 (89). С. 166-171.
4. Дьяконов А.Г., Фаттахов Р.К., Лебедев В.А. Динамическое регулирование магнитного поля в перенастраиваемой магнетронной распылительной системе // Вестник ИрГТУ, 2016. № 5 (112). С. 105-119.
5. Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970. 272 с.
6. Охременко Н.М. Основы теории и проектирования линейных индукционных насосов для жидких металлов. М.: Атомиздат, 1968. 396 с.
References
1. Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetronnye raspylitel'nye sistemy [Magnetron sputtering systems]. Moscow: Radiosvyaz Publ., 1982, 72 p. (In Russian)
2. Dyakonov A. G. Magnetic fields in the retuned magnetron sputtering system. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2013, no. 8 (79), pp. 185-190. (In Russian)
3. Dyakonov A.G., Lebedev V.A. Results of theoretical and experimental determination of magnetic fields in retuned magnetron sputtering systems. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2014, no. 6 (89), pp. 166-171. (In Russian)
4. Dyakonov A.G., Fattakhov R.K., Lebedev V.A. Magnetic field dynamic regulation in a retuned magnetron sputtering system. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 5 (112), pp. 105-119. (In Russian)
5. Voldek A.I. Indukcionnye magnitogidrodinamicheskie mashiny s zhidkometallicheskim rabochim telom [Induction mag-netohydrodynamic machines with liquid metal actuating fluid]. Leningrad: Energiya Publ., 1970, 272 p. (In Russian)
6. Ohremenko N.M. Osnovy teorii i proektirovanija linejnyh indukcionnyh nasosov dlja zhidkih metallov [Basics of the theory and design of linear induction pumps for liquid metals]. Moscow: Atomizdat Publ., 1968, 396 p. (In Russian)
Критерии авторства
Дьяконов А.Г., Фаттахов Р.К. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Dyakonov A.G., Fattakhov R.K. have equal authors' rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 01.12.2017 г. The article was received 01 December 2017
