CC BY
21
УДК 620.9
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-105-119
ДИНАМИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПЕРЕНАСТРАИВАЕМОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ
© А.Г. Дьяконов1, Р.К. Фаттахов2, В.А. Лебедев3
Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, Россия, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
Рассчитано распределение составляющих магнитного поля в зазоре перенастраиваемых магнетронных распылительных систем (ПНМРС). Полученные зависимости индукции от координат и частоты вращения позволяют определить оптимальные параметры и характеристики работы ПНМРС, что дает возможность более эффективно использовать различные функциональные покрытия на подложках сложной геометрии. Регулирование составляющих магнитного поля по отдельности в ходе технологического процесса позволяет менять свойства и технологические возможности распылительной системы.
Ключевые слова: магнетронная распылительная система, магнитные поля, подложка сложной геометрии, термо- и износостойкие покрытия.
MAGNETIC FIELD DYNAMIC REGULATION IN A RETUNED MAGNETRON SPUTTERING SYSTEM A.G. Dyakonov, R.K. Fattakhov, V.A. Lebedev
Ufa State Aircraft Technical University, 12, K. Marx St., Ufa, 450000, Russia.
Distribution of magnetic field components has been calculated in the gap of retuned magnetron sputtering systems (RMSS). The obtained dependences of induction from the coordinates and rotation speed allow to determine RMSS optimal parameters and operational characteristics that enables more effective use of various functional coatings on the substrates of complex geometry. Individual regulation of the magnetic field components in the course of the technological process allows to change the properties and technological capabilities of the sputtering system. Keywords: magnetron sputtering system, magnetic fields, substrate of complex geometry, thermo- and wear-resistant coatings
В настоящее время в различных областях машиностроения широко применяются вакуумные технологические процессы, в частности, методы вакуумного нанесения разнообразных функциональных покрытий.
В свою очередь, среди всего разнообразия этих методов стоит выделить магнетронное распыление, принцип функционирования которого основан на использовании скрещенных неоднородных электрических и магнитных полей, что позволяет повысить эффективность процесса напыления за счет использования низкотемпературной плазмы, локализованной вблизи распыляемой детали - катода-мишени. Магнетронное распыление [1] позволяет значительно расширить спектр получаемых покрытий и регулировать их физико -химические свойства в относительно широком диапазоне. Дальнейшее развитие технических устройств и технологических систем, где применяется данная технология, приводит к ужесточению требований как к свойствам покрытий, так и конструкции магнетронных распылительных систем (МРС) и их характеристикам (эффективность распыления, скорость осаждения покрытия и т.д.). Причем эти требования носят противоречивый, зачастую взаимоисключающий характер, например, увеличение толщины и одновременно механической прочности покрытия. Совершенствование конструкции МРС позволяет удовлетворить этим требованиям, сделать данную технологию более универсальной и экономически более привлекательной. Если до последнего времени этот процесс происходил за счет оптимизации геометрии магнитной системы и катода-мишени
1
Дьяконов Алексей Геннадьевич, старший преподаватель кафедры электромеханики, е-mail: rfattakhov@gmail.com
Dyakonov Aleksey, Senior Lecturer of the Department of Electromechanics, e-mail: rfattakhov@gmail.com
2Фаттахов Рамиль Касымович, доцент кафедры электромеханики, е-mail: rfattakhov@gmail.com Fattakhov Ramil, Associate Professor of the Department of Electromechanics, e-mail: rfattakhov@gmail.com
3Лебедев Валерий Александрович, доцент кафедры экономической информатики, е-mail: lav129@yandex.ru Lebedev Valeriy, Associate Professor of the Department of Economic Informatics, е-mail: lav129@yandex.ru
МРС, то сейчас становится необходимым повышать степень управляемости всего процесса напыления за счет регулирования магнитного поля в ходе технологического цикла. Эту задачу позволяют решить перенастраиваемые магнетронные распылительные системы (ПНМРС) [2-4].
В работе [2] дано теоретическое обоснование возможности использования для регулирования конфигурации магнитного поля ПМРС с возвратно-поступательным движением катода-мишени. Эта конструкция, повышая степень управляемости процесса напыления, отличается, однако, сравнительно большими потерями энергии, что требует применения мощного и дорогостоящего привода - электромагнитного вибратора. Для устранения этого недостатка возможно применение в ПНМРС вращательного движения катода-мишени относительно магнитной системы (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция катодного узла планарной ПМРС Fig. 1. Structure of the cathode assembly of the planar retuned magnetron sputtering system
Конструкция катодного узла планарной ПМРС, представленная на рис. 1, включает индуктор (магнитную систему) 1, выполненный на постоянных магнитах. Над индуктором 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 геометрически сложной 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. 1 они не показаны). Данный тип ПНМРС может быть реализован и в цилиндрическом исполнении [3].
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, возможно изменять распределение магнитного поля в зазоре ПНМРС и, таким образом, управлять характеристиками технологического процесса.
Электромагнитные процессы, протекающие в ПНМРС, могут быть описаны известными уравнениями Максвелла для медленно движущихся изотропных (по ц и а однородных) проводящих сред [5]:
rotH = j + j ; J J ст? (1.1)
rotE = - dB; dt (1.2)
j e + V x B' ); (1.3)
B = ß- 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; 7 - вектор плотности индуктированного тока проводимости; ~7ст - вектор плотности стороннего тока, обусловленный действием посторонних источников тока - в нашем случае 7сиг = 0; а - электрическая проводимость материала держателя.
Для упрощения и обобщения задачи приняты допущения, соответствующие расчетной схеме рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема Fig. 2. Calculation model
>
Для перехода к ней держатель 2 разрезаем по радиусу и вытягиваем в плоскость. Получаем систему бесконечную по оси У. Учитывая периодичность расположения индукторов (магнитных систем) 1 под держателем 2, достаточно рассмотреть область лишь одной магнитной системы. Кроме того, рассматриваем МРС со снятой мишенью 3, то есть катодом является медный держатель 2, установленный с возможностью перемещения по оси Z со скоростью v = oR относительно магнитной системы.
Допущения, принимаемые для решения этой задачи, за некоторыми исключениями, аналогичны представленным в [2]:
1. Магнитная проницаемость стали индуктора (магнитной системы) 1 ¿ист=ю, ее электрическая проводимость стст = 0.
2. Электрическая проводимость медного держателя 2 постоянна, < = <1, его магнитная проницаемость цси = /и0.
3. Держатель 2 перемещается относительно индуктора 1 с линейной скоростью у = сЯ, где с - угловая скорость вращения держателя; Н - радиус, на котором размещены оси индукторов (магнитных систем) 1 (рис. 1).
4. Индукция магнитного поля в зазоре (область 1) меняется по гармоническому закону по координате 1:
В = Б/ш-аг), (2)
где а = —; т - полюсное деление индуктора (магнитной системы) 1 (рис. 2).
т
5. Пространство за держателем (при х >3 + Ь) однородно; < = 0, ц = ^.
6. Система бесконечна по оси у.
Уравнения (1) написаны для неподвижной среды. У нас же вторичная среда - держатель 2 движется со скоростью у = сЯ << с. Можно решать задачу в неподвижной системе координат, но тогда согласно законам электродинамики в движущейся среде, с точки зрения неподвижного наблюдателя, значения В и Н будут другими. Обычно решают задачу в подвижной системе координат, связанной с движущимся элементом [5]. В этом случае второй член в скобках (1.3) (часто называемый эдс движения) Vх В = 0 и
1 = <Е. (3)
Это позволяет произвести расчет более просто, а затем перейти к неподвижной системе координат.
Отметим, что система (1) довольно просто решается лишь при допущении 4, то есть поле во времени меняется относительно наблюдателя на движущемся держателе гармонически В = В0ес. Относительно координат 7 : В = В0егС~а2) - поле «бежит» по оси 7 .
При переходе от неподвижной к движущейся системе координат сохраняют свои значения величины 1, В и производные от этих величин - электродинамическая сила (1 х В), и
мощность джоулевых потерь ^ 121. Разные значения имеют электрическое поле Е и связанный с ним поток энергии Е хН. Ввиду того, что уравнение (1.3) упрощается, очевидно, что более предпочтительной является движущаяся система координат, связанная с движущимся держателем 2 ПНМРС.
Перепишем (1.1), раскрыв определитель:
дН dHv
= л;
] у;
дх ду ^ Аналогично для (1.2), учитывая допущение 4 и (1.4):
ду дг
дHx дHz
дг дх
дHy дHx
(4)
дЕ дЕ.
y _
ду дг
дЕх о дЕг о
дг дх
дЕу дЕх_
= -ia/Hx;
= -rn/uHy;
дх ду
(5)
Согласно допущению 6, явления в системе рис. 2 не зависят от координаты у, следовательно, все производные по у равны нулю. Кроме того, условный ток, создающий поле индуктора 2, согласно [5], равномерно распределен по поверхности последнего (х = 0) и имеет только 1 у -й компонент, то есть ]х = ^ = 0, Ех, Ег, Ну = 0.
Тогда из (4):
дЩ дН, = .
Из (5):
дг дх
дЕ.
у _
дг д_Еу
дх
= Ш/иНх;
= -ia/uHz.
(6)
(7)
Учитывая (1.3), перепишем (6):
дг дх
Из (7):
а{ Еу + /VHX).
Hx =-
дЕ-
У .
а/ дг
Hz =
Е
У
а/ дх
(8)
(9)
>
>
Подставляя (9) в (8) и умножая правую и левую часть (8) на со/и, получим:
d 2 Ey d 2Ey -i—тг- - i—j- = аю/
(
dzг
dx2
i/V dEv Л
Ey - '
* с/ dz
y
(10)
Умножая на i, получим:
d2Ey d2 Ey , -7Г +-Г"- гею/
dz2 dx2
L iV dEyЛ
Ey-----
7 ю dz
= 0
(11)
d Ey d Ey
—2y +-2--а/
dz2 dx2
( dEy Л
iaEv + V---
y dz
= 0.
(12)
Решение (12), согласно [5], необходимо искать в виде:
Ey = Ey 0e
-iaz
(13)
Тогда перепишем (12), сокращая на e
-iaz .
-a Ey0 +
d 2E
y0
dxA
<j/{irnEyo + V (-ia) Eyo )
1 = 0.
(14)
Преобразуем далее:
2r , d2ev0 -a Ey0 +
dx
2r d 2Ey0 .
-a Ey0 + + '
j/(imEy0 -iaVEy0) = 0; ij/(aVEy0 -cEy0) = 0;
d 2E
y0
dx d 2E
2
y0
2
dx d 2E
-Ey 0a + Ey 0 ij/ (aV -ю) = 0; Ey0 (a2 - ij/(aV -с)) = 0;
dx
Удобнее (19) переписать в виде:
- Ey0 (a2 + ij/(ca - aV)) = 0.
(15)
(16)
(17)
(18) (19)
d 2 E
dx
20 -ß2 Ey0 = 0,
где
(20)
и
ß = \ja2 + ia/i(a - aV),
(21)
или в движущейся системе координат:
ß-a
= + ¡ацсо. (22)
Общее решение (20) - линейного дифференциального уравнения II порядка, где
Еу = / (х, г), обычно, согласно [5], ищут в виде:
Еу =(q eß + С2 e~ß ) ei(iDt-az)
(23)
где С и С2 - постоянные интегрирования, определенные из граничных условий, или в другой форме записи:
Еу = {ClShßx + C2 chßx) e
:(at-az )
(24)
Подставляя (23) в (9):
Hx =
= J (-а)^х + C2eß ) eia ~az) = --а(г^х + г„ -
а/
а/
[С^х + C2e~ßx ) ei
Hz =J-ei^atCßß -C2ßeß) = Щс^х -C2eß V^-) а/ \ ' а/У '
(25)
(26)
Объединяя (21), (23) и (24), получим решение уравнений Максвелла (1) для нашего
случая:
Hx = -
Hz =
Еу =
( с^х + C2e~ßx ) ei(а-az); (С^х - C2e~ß ) ei(а-az); (Ceß + C2e~ßx ) ei(ot-az).
а/ iß а/
(27)
Запишем решения уравнений Максвелла (1) для каждой из трех областей. Для области 1:
=-
а
ßх v-ßх\Аа-az).
а/i
( C1eßiх + C2e~ßiх )
Hz1 = ß (C1eßiх - C2e~ßiх)ei(tt>t-az); а/i \ '
Еу1 =(C1eßiх + C2e~ß х ) №-az),
(28)
>
где j - магнитная проницаемость области 1, u1 = и0; ß1 = \ja2 + ¡а\ща = a Для области 2:
Hx2 = —
а
Hz 2 =
2
-iKlr. ß
(C3eß x + C4e~ßx ) ei(—az);
(2
(c3eßx — C4e"ß2x ) ei(—az);
Ey2 = (C3eß2x + C4e~ß2x ) ei(—az),
где ß2 - магнитная проницаемость области 2, j = j;
ß2 = -\Ja2 + i<J2U2( =*\Ja2 + ¡¡Uo® = ß-Для области 3:
Hx3 а
(OjU3
Hz3 и 3 /-v
(jU3 \
Ey3 II e ß
(C5eß3x + C6e"ß3x ) ei((t—az У
(29)
(30)
где из - магнитная проницаемость области 3, u3 = u0; ß3 = \ja2 + ¡a3u3cj Перепишем (28)-(30):
Hx1 = a 1
Hz1 = ¡a (c
®ßov
Ey1 = ( C1eax
(Cyeax + C2e~ax ) ei((t—az); (Cyeax — C2e~ax ) ei((t—az);
(31)
Hx 2 = a (
Hz 2 = ¡ß(c
Ey 2 : x ß (Ce3 =
( C3eßx + C4e~ßx ) ei((t—az); (C3eßx — C4e~ßx )ei((t—az);
(32)
>
>
Hx3 =-
Hz3 =
а/0
ia
а/о
( C5eax + C6e~ax ) ei(mt-az); (C5eax - C6e~ax )ei(mt-az);
Еу3 = (C5eax + C6e~ax ) ei(mt-az).
(33)
Для определения С1...С6 запишем граничные условия, согласно [5]. Для границы область 1 - область 2, х = 5:
Н 2/ = Н1; В2п = В1п; Е2/ = Е1/. .
Для границы область 2 - область 3, 5+Ь:
Н3/ = Н 2/; В3п = В2п; Е3/ = Е2/.
(34)
(35)
Для нашего случая (рис. 2) перепишем (34) и (35):
при х = 5:
Hz 2 = Hz1; Bx2 = Bx1; Ег 2 = ЕгЬ
(36)
при х = S+b:
Hz 3 = Hz 2; Bx3 = Bx 2; Ег3 = Ег 2.
(37)
При х = 0 на поверхности индуктора у нас задана нормальная составляющая индук-
ции:
Bx1 = Bx0 cos (а -ах) = Bx0e
-iax
(38)
Тангенциальная составляющая напряженности, определяемая из граничного условия:
Но2 -Н1 = А (39)
Hz 1 - A - H0 z = H0e
(аг-az )
(40)
и
где Н0г - составляющая напряженности на поверхности индуктора 1; А - линейная плотность введенного (условного) поверхностного тока, равномерно распределенного по поверхности индуктора 1.
Перепишем (36):
Hz1 = A - H0z = Hz0e Hz 2 = Hz1;
(а1 -az )
при x=5
/0Hx 2 = /0Hx1
при x = 5.
Hz 2 = Hz1
Из (37):
Hx 2 = Hx1
Hz 3 = Hz 2;
при x = 5+b
Из (38):
/0 Hx 3 = /0 Hx 2,
при x = 5 + b .
Hx 2
Bx1 = Bx 0e
Hz 3 = Hz 2; Hx3 = Hx 2
x = 0 = Bx0 = B0
U -B0
Hx1 =-.
/0
Учитывая (40), запишем:
TT TT i(аt-az) Hz1 = Hz 0eV ,
Bö /0
и -B0
Hx1 =-
при x = 0.
Из первого уравнения (42) перепишем вторые уравнения (31) и (32):
/?(С3еР8 + С4е~^ = а{схеа8 + С2е~а
(40)
(41)
(42)
(43)
(44)
(45)
(46)
(47)
(48)
Уравнения (42), (44), (47) позволяют определить постоянные интегрирования Ci.Ce-Из второго уравнения (42) перепишем первые уравнения (31) и (32):
C3eß5 + CAe~ß = C1ea5 + C2e
-ß5 a5.
-a5
(49)
Из первого уравнения (44) перепишем вторые уравнения (33) и (32):
(50)
Из второго уравнения (44) перепишем первые уравнения (33) и (32):
и
и
и
C5ea(^) + C6e~a(S+b) = C3eß(S+b) + CAe~ß(S+b)
(51)
Таким образом, опуская промежуточные выкладки, получим:
Ho®ßo Bo®
С =■
2ia
2ae
¡(cot—az) '
(52)
С = —
Ho®uo
BoO
2ia
2ae
i(ot—az) '
(53)
С = es(a—ß)
f a^C 1 + a
v ßj
H o®ßo 4ia
Bo®
Л
—e~S(a+ß)
с a^C 1 — a
v ßj
i(ot—az ) Bo®
4ae4 -j Л
Ho®Uo , _
4ia 4aei(ot—az)
(54)
= es(a+ß)
1—a
V
ß
Ho®uo Bo®
4ia 4aei(ot—az)
—eS(ß—a)
1 +
a ß
Ho®ßo 4ia
Bo®
4ae
:(ot—az )
(55)
C5 =
f
H o®ßo Bo®
Л
8ia
i(ot—az )
H o®uo 8ia
H o®ßo 8ia
8ae s 'j Bo® Л
8aei(ot—az),
b (ß—a)C1 + ß
V a
b (ß—a)—2Sa(^ + ß
1+a
V ßj
+ e
—b (ß+a)C1 — ß
г a
1—a
a
v ßj
с a
1+a
a
v ßj
+ e
-2Sa—b (ß+a)(^_ß
с a
1—a
a
v ßj
= (56)
Bo®
8ae'(ot—az).
> Г ■ A —
H o®uo 8ia
Bo®
8ae
(®t—az )
■ B,
где A = eb (ß—<1 + ß
a
B = Ъ (ß—a)—2 sa(1 + ß
( a
1+a
v ßj
1+a
+e
-b (ß+a)(1 ß
г a
1—a
a
v ßj
a
v ßj
+ e
—2Sa—
b (ß+a)(1 £
с a
1—a
a
v ßj
- параметры системы.
Сб = f
H o®uo Bo®
л
8ia
H o®ßo 8ia
H o®ßo 8ia
„ i(®t—az) 8aey ' j
Л
a
Bo®
8ae
:(®t—az )
Bo®
:(®t—az )
2Sa+b (ß+a)(^_ß_
b (a+ß)(1 — ßV
1 + a
v
ß
+e
2Sa+b (a—ß)L ß
( a
1—a
j
a
v ßj
a
\ ( ■ С —
8ae
H o®uo 8ia
1—a
v ßj Bo®
+e
b (a— ß)(1 + ß
с a
1+a
a
v
ß
j
(57)
8ae
(®t—az )
■ D,
где С = e2 a+b (ß+a){\ -ß D — eb (a+ßHl -ß
a
с а i+а
V ßj
+ е
f а i-а
а
v ßj
+ е
2 8а+Ъ {a-ß)\l + ß
b (а-ß) f1 + ß
а 1 -а
а 1 + а
а
V ßj
V ßj
- параметры системы.
Уравнения (31) окончательно запишутся:
i(®t-az) f Tj
гv ' H o®/e
HX1 --
ae
ax Bo®eax H o®/uoe~ax Bo®e~ax
2ia
2aei(ct-az)
2ia
2aei(ct-az)
i(®t-az) f tj
aey ' H o®/o
- shax -
Bo®
ia
2aei(ct-az)
chax
(58)
B0chax Hoshax •el{C~aZ) - Bo ^ + iH0e'(ct-az) • shax;
HZ1 —
/ i /
. i(®t-az)( и ax D „„ax iae v ' H oC/e
®/o
Bocea
2ia 2aei(®t-az)
| Ho®/oe , Boce
-ax
2ia
2aei(ct-az)
iae'® az) f Harnua , B()®
——o chax--ro-г shax
®/o V ia
i(®t-az) TT iaey '• H oQ/o
0/oia
2aei(ct-az)
(59)
chax -
iae (® az)• Bo® iCt-az) , Bo .
-b-v^ - u . - \ )• chax--—i
c/ae
:(dt - az)
shax — Hoe
chax--o ishax;
^ i(®t-az )
Ey1 — ey '
f Ho®/oeax Bo®eax Ho®/oe~ax Bo®e~ax Л
2 ia
2aei(®-az)
2 ia
2aei(ct-az)
_ gi(ct-az)
H o®/o
shax - -
Bo®
v a 2aei(ct-az)
— Щ®^ ei(Qt-az shax - ^o® chax. ia a
Уравнения (32) в окончательном виде запишутся:
chax
(60)
HX 2 — -
ae
:(®t-az )
Q/o
J „V
eßx • es(a-ß) 1 + a ß
V У j
H o®/o Bo®
4ia
4ae
i(®t-az )
-eßx • e~S(a+ß)
+e
V ßj
-ßx .eS(a+ß)L-a]f
V ßj
f
-e-ßx • Aß-a)
1+a
V ßj
4ia 4aei(ct-az)
H o®/o Bo®
4ia 4aei(ct-az)
H o®/o Bo®
(61)
4ia
4ae'
(®t-az )
hz 2 -
iße
i(wt—az )
ßx. S(a—ß)
i+a
V ßj
H B0®
4ia 4aei(Ot—az)
—eßx . e~S(a+ß) —e—ßx. eS(a+ß)
С a^C
1 — -
+e
—ßx. /(ß+a)
V ^J
Va'с
V ^J
^ a^C 1 + a
v ßj
^ i(wt—az)
EY 2 - e V '
ßx. -S(a+ß)
+e
—ßx . /(a+ß)
ßx. /(ß—a)
V ^J
Va'с
V ßj
Г a^C
1 + a
v ßj
—o + 4ia 4aei(Ot—az)
H oOo BoO
4ia 4aei(Ot—az)
Ho°/o BoO
4ia 4aei(O t—az)
(a—ß) C1 + V a^C H oO/o ßJV 4ia
Ho°/o , BoO
4ia 4aei(O t—az)
H oO/o BoO
4ia 4aei(O t—az)
Ho°/io , BoO
4ae
i(at—az )
V
4ia
4ae
(cot—az )
(62)
(63)
Уравнения (33) в окончательном виде запишутся:
HX 3 - —
(
ae
:(ot—az )
7
+
V
O/o
HqOJUq BoO
8 ia
HoOHo BoO
8 ia 8aei(Ot—az)
Aeax —
HoPHo BoO
Beax +
8 ia
8ae
:(ot—az )
8aei(ot—az)
Ce
—ax
H Q°M) BoO
8 ia
8ae
(ot—az )
De
—ax
(64)
HZ 3 -
iae
:(ot—az )
Po
HoPHo BoO
8 ia 8^aei(wt—az)
Aeax —
Ho°ßo+. BoO
8 ia 8aei(ot—az)
Beax -
Hoßßo BoO
8 ia
8ae
:(at-az )
Ce
—ax
HoO/o , BoO
8 ia
8ae
(at—az )
De
—ax
(65)
r i(rnt—az) Eyi — e v '
Y 3
Г
HoOßo BoO
8ia 8ae
:(rnt—az)
Aeax —
HoO/o+_ BoO
Beax +
8ia 8ae
(rnt—az )
+
HoOßo BoO
V
8ia 8ae
:(rnt—az)
Ce
—ax
HoOo+_ BoO
8ia 8aei
(rnt—az)
De
—ax
(66)
Перепишем (64) и (65), учитывая, что в области 3 / — /o:
bx 3 = -
ae
:(at-az )
+
О
HQOJUQ BQO
Л
BqO
Hn°M)__
8 ia 8aei(at-az)
8ia 8ae
Л f
-ai
Ce"
y
f
Aeax -
BqO
:(at-az )
Homo _
8ia T 8aei(at-az)
Hoao , Boa 8 ia
8ae
(at-az )
Beax +
De"
(67)
BZ 3 =
B0 a
-a^ f HoPMoo !
8 ia 8aei(
8 ia 8aei(
Boa 1 De-ax
Beax -
(68)
Таким образом, получены выражения для расчета составляющих магнитного и электрического полей во всех трех областях ПМРС. Очевидно, что на процессы в рабочей области (зазоре МРС) влияют составляющие магнитного поля в области 3 над держателем 2 (рис. 2) -6x3 и Bz3.
Составляющая Вх3 вносит неоднозначный вклад в процесс получения покрытия [1, 6], при проектировании конструкций МРС ее величину и зону максимального распределения стараются уменьшить. Однако механизм ее влияния на процессы распространения потока плазмы до конца не изучен и требует, безусловно, пристального внимания исследователей.
Составляющая Bz3 создает арочное магнитное поле - магнитную ловушку. От ее величины и характеристик распределения зависят скорость распыления, скорость осаждения покрытия, энергетическая эффективность процесса, коэффициент использования материала катода-мишени, свойства покрытия и т.д. Сознательное управление именно этой составляющей позволяет решить многие задачи и повысить степень управляемости процессами распыления и осаждения покрытий.
Итак, изменяя скорость вращения с держателя 2 относительно катода-мишени 1, мы можем менять соотношения между составляющими Вх3 и Bz3. Согласно (67) и (68), составляющая Bz3 уменьшается по координате x в меньшей степени, чем составляющая Вх3. Кроме того, в ПМРС кроме частоты можно менять и параметры системы, а именно b, зазор S между держателем 2 и магнитной системой 1 (рис. 2). Согласно [7], это приводит к изменению степени сбалансированности магнетрона (соотношения между Вх3 и Bz3) и изменению соотношения между ионами и атомами осаждаемого на подложку металла. То есть, во время осаждения структурированных или многослойных покрытий данная ПМРС позволяет выбрать условия для оптимизации свойств каждого компонента покрытия (структура, состав, адгезия, наличие или отсутствие внутренних напряжений). Дополнительным преимуществом данной ПМРС является повышение коэффициента использования материала катода-мишени.
Изменяя наряду с такими характеристиками процесса, как ток разряда, давление и состав рабочих газов, время процесса, параметры движения подложки и частоту вращения держателя относительно индуктора, удается повысить степень управляемости всем процессом напыления.
Данные результаты могут использоваться для расчета высокоэффективных ПНМРС, что позволит получать различные функциональные покрытия одинаковой толщины с высокими требованиями к их физико-химическим свойствам на подложках сложной геометрии.
Статья поступила 04.04.2016 г.
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. Пат. № 2174160, Российская Федерация. Цилиндрическая магнетронная распылительная система / А.Г. Дьяконов, Д.Г. Сорокин; ГОУ ВПО УГАТУ. № 2013109036/12; заявл. 28.02.2001; опубл. 20.08.2001. Бюл. № 27. 37 с.
4. 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.
5. Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970. 272 с.
6. Спиваков Д.Д., Парфенёнок М.А., Телегин А.П. Оборудование для нанесения покрытий реактивным магне-тронным распылением в режиме двойного незатухающего разряда // Вакуумная техника и технология. 2002. Т. 12. № 3. С. 145-149.
7. Kelly P.J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications // Vacuum, 56 (2000). Р. 159-172.
References
1. Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetronnye raspylitel'nye sistemy [Magnetron sputtering systems]. Moscow, Radiosviaz' Publ., 1982, 72 p.
2. D'iakonov A.G. Magnitnye polia v perenastraivaemoi magnetronnoi raspylitel'noi sisteme [Magnetic Fields in Retuned Magnetron Sputtering system]. Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2013, no. 8 (79), pp. 185-190.
3. D'iakonov A.G., Sorokin D.G. Cylindrical magnetron sputtering system. Patent of Rossiiskaia Federatsiia, no. 2174160, 2001.
4. D'iakonov A.G., Lebedev V.A. Rezul'taty teoreticheskogo i eksperimental'nogo opredeleniia magnitnykh polei v perenastraivaemoi magnetronnoi raspylitel'noi sisteme [Results of Theoretical and Experimental Determination of Magnetic Fields in Retuned Magnetron Sputtering Sistems]. Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2014, no. 6 (89), pp. 166-171.
5. Vol'dek A.I. Induktsionnye magnitogidrodinamicheskie mashiny s zhidkometallicheskim rabochim telom [Induction magneto-hydrodynamic machines with liquid metal working fluid]. Leningrad, Energiia Publ., 1970, 272 p.
6. Spivakov D.D., Parfenenok M.A., Telegin A.P. Oborudovanie dlia naneseniia pokrytii reaktivnym magnetronnym raspyleniem v rezhime dvoinogo nezatukhaiushchego razriada [Equipment for reactive magnetron sputtering coating in a persistent double discharge mode]. Vakuumnaia tekhnika i tekhnologiia - Vacuum Science and Technology, 2002, vol. 12, no. 3, pp. 145-149.
7. Kelly P.J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications. Vacuum, 56 (2000), pp. 159-172.
