CC BY
51
УДК 620.9
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В ПЕРЕНАСТРАИВАЕМОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ
© А.Г. Дьяконов'
Уфимский государственный авиационный технический университет,
450000, Россия, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
Рассмотрено применение уравнений Максвелла для расчета магнитных полей в перенастраиваемых магнетрон-ных распылительных системах (ПНМРС). Приведены выражения для составляющих магнитного поля в зазоре ПНМРС в зависимости от параметров ПНМРС, частоты колебаний и координат. Полученные выражения позволяют расширить технологические возможности применения магнетронных распылительных систем с целью получения различных функциональных покрытий на подложки сложной геометрии.
Ил. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: магнетронные распылительные системы; магнитные поля; подложки сложной геометрии; износостойкие покрытия.
MAGNETIC FIELDS IN RETUNED MAGNETRON SPUTTERING SYSTEM A.G. Dyakonov
Ufa State Aircraft Technical University,
12 Karl Marx St., Ufa, 450000, Russia.
The article deals with the application of Maxwell's equation for calculating magnetic fields in retuned magnetron sputtering systems (RMSS). The formulas of the magnetic field components in the RMSS gap are given depending on RMSS parameters, vibration frequency and coordinates. The derived formulas allow to expand the technological capabilities of magnetron sputtering systems application in order to obtain various functional coatings on the substrates of complex geometry.
2 figures. 4 sources.
Key words: magnetron sputtering systems, magnetic fields; substructures of complex geometry; wear-resistant coatings.
Одной из отличительных особенностей современных науки и техники является широкое использование элек-тротехнологических установок, и в частности, установок ионной обработки. Ионная обработка как одна из разновидностей вакуумно-технологических процессов используется для изготовления особо чистых металлов и сплавов, модификации поверхностей, получения тонких пленок за счет распыления материала. В последнем случае вещество катода - мишени распыляется высокоэнергетическими ионами, образованными в низкотемпературной плазме газового разряда. Распыленные частицы вещества переносятся в пространстве вакуумной камеры и осаждаются на поверхности подложки, формируя пленку материала.
Установки ионно-плазменного нанесения покрытия имеют множество разновидностей в зависимости от особенностей способа получения и удержания плазмы. Среди них в последнее время выделяются магнетронные распылительные системы (МРС), позволяющие получать тонкие пленки большинства материалов с наибольшей эффективностью [1, 2]. Особенностью МРС является наличие неоднородных как электрического, так и магнитного полей. Эти скрещенные поля позволяют эффективно удерживать плазму в узкой зоне под катодом - мишенью и относительно просто регулировать характеристики разряда за счет изменения подводимого напряжения, то есть энергии ускоренных частиц.
Существует несколько основных типов конструкции МРС: цилиндрическая (коаксиального типа), с коническим катодом, планарного типа. Тип конструкции определяется формой катода - мишени, изготовленного из распыляемого материала.
Конструкция катодного узла цилиндрической МРС, представленная на рис. 1, включает магнитную систему 1, выполненную на постоянных магнитах. Над магнитной системой 1 установлен медный водоохлаждаемый держатель 2, на котором расположен катод - мишень 3 из распыляемого материала. По оси устройства размещена покрываемая подложка 4, выполненная в виде нити, проволоки и т.д. Анод на рис.1 не показан, он обычно располагается на расстоянии около 7 мм от поверхности катода - мишени 3 при напряжении 500 В. Магнитная система 1 должна создавать магнитное поле, аксиальная составляющая которого на расстоянии 10 мм от поверхности катода - мишени 3 равна 0,03 Тл (BZ=0.03 Тл).
Данный тип МРС наряду с определенными преимуществами имеет и существенные недостатки, такие как низкий коэффициент использования материала катода - мишени, малая скорость распыления магнитных материалов, невозможность регулирования характеристик разряда в широком диапазоне. Эти недостатки снижают универсальность использования данных МРС, что уменьшает эффективность процесса напыления.
1Дьяконов Алексей Геннадьевич, старший преподаватель кафедры электромеханики, тел.: + 79625210839, е-mail: rfatta-khov@gmail.com
Dyakonov Aleksei, Senior Lecturer of the Department of Electromechanics, tel.: +79625210839 e-mail: rfattakhov@gmail.com
X
В настоящей работе объектом исследования является цилиндрическая МРС [3], относящаяся к классу перенастраиваемых (ПНМРС). В этой конструкции (см. рис. 1) водоохлаждаемый держатель 2 установлен в корпусе МРС (на рис. 1 не показан) с возможностью осевого перемещения. Привод движения осуществляется от внешнего источника - электродинамического вибратора (на рис. 1 не показан), размещенного за пределами вакуумной камеры. При возвратно-поступательном движении держателя 2 с катодом - мишенью 3 за счет изменения магнитного потока в них будут наводиться вихревые токи, влияющие на распределение составляющих Вх и В2 над поверхностью катода - мишени 3. Регулируя частоту и амплитуду колебаний держателя 2, удается, используя прежнюю магнитную систему на постоянных магнитах 1, регулировать характеристики процесса в более широких пределах и повышать универсальность использования МРС.
При аналитическом определении картины магнитного поля в ПМРС цилиндрического типа расчетной схемой являлась машина с полым одно- или двухслойным ротором без внутреннего магнитопровода. Цилиндр при этом развертываем в плоскость и получаем полосу - держатель 2, перемещающийся в поле одностороннего индуктора - магнитной системы 1 совместно или без катода - мишени 3. Обоснованным и желательным допущением является переход от зубчатого индуктора к гладкому. При этом ввели коэффициент зазора [4]:
*3
Н -Уз$12 (1)
К'8 =
Электромагнитные процессы, протекающие в ПНМРС, могут быть описаны известными уравнениями Максвелла для медленно движущихся изотропных (по Ми Т однородных) проводящих сред [4]:
~\
гоґН = ] + у
тоіЕ = - ЛВ
] = сг(е + В = м- Н; &\В = 0,
Л ’
V х ВЦ
>
(2)
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; ] - вектор плотности индуктированного тока проводимости; ]ст - вектор плотности стороннего тока, дИ/Л = 0 ; с - электрическая проводимость материала держателя.
V
4
Z
3
Строгое определение интересующих электромагнитных величин с учетом многообразия конструкций МРС и ПНМРС является достаточно сложной задачей в каждом конкретном случае. Для упрощения и обобщения задачи приняты допущения, соответствующие расчетной схеме рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема
Для получения последней цилиндрическую магнетронную распылительную систему (ЦМРС) с внутренним распылением разрезаем по оси, разворачиваем в плоскость. Получаем систему, бесконечную по оси Y. Кроме того, рассматриваем ЦМРС со снятой мишенью, то есть катодом является медный держатель 1, установленный с возможностью перемещения по оси Z относительно магнитной системы 2.
Рассмотрим допущения, принимаемые для решения этой задачи:
1. Магнитная проницаемость стали индуктора бесконечно велика Мст = да , ее электрическая проводимость равна нулю Уст = 0 .
2. Электрическая проводимость держателя равна бесконечности &си = , его магнитная проницаемость
Мси = Мо .
3. Индукция в зазоре (область I) имеет прямоугольную форму.
4. Зазор д между индуктором 2 и держателем 1 намного меньше радиуса разворачиваемого цилиндра. Следовательно, можно считать, что индуктор плоский.
5. Индукция магнитного поля в зазоре (область I) меняется по гармоническому закону по координате Z:
В = В0в1^ш~аг).
Уравнения (1) написаны для неподвижной среды. У нас же вторичная среда, держатель 1 движется со скоростью V << с. Можно решать задачу в неподвижной системе координат, но тогда согласно закону 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. В этом случае
і = о{б +V ■ в]} V х В = 0; и і = оЁ, (3)
что позволяет произвести расчет более просто, а затем перейти к неподвижной системе координат.
Отметим, что система (1) довольно просто решается лишь при допущении 5, то есть, что поле во времени
меняется относительно наблюдателя на движущемся экране гармонически В = Вое ■ Относительно коорди-
7 ^ 7 Л — Л „іірІ—Юї)
нат ^ поле «бежит» по оси ^ : В = Вое .
При переходе от неподвижной к движущейся системе координат сохраняют свои значения величины ] , В и производные от них величины - электродинамическая сила (у хВ) и мощность джоулевых потерь у ).
Разные значения имеют электрическое поле Е и связанный с ним поток энергии Е X Н . Ввиду того что уравнения (3) упрощаются, очевидно, что более предпочтительной является движущаяся система координат, связанная с движущимся держателем 1 ПМРС (см.рис. 2).
Запишем выражения для векторного потенциала А в исходной расчетной схеме в системе координат, движущейся вместе с проводящим экраном (держателем).
Ввиду допущения о бесконечной ширине системы из цилиндричности полосы ЦМРС
д2 Л^ду2 = д2 Ла/ду2 +82 Аміду2 = 0.
В непроводящих областях I и III согласно уравнению Пуассона
V2 Л = —Мо] = °-
В областях I и III уравнение Лапласа запишется как
8 2 А д2Л
0,
д2 Л
III
+ -
д2Л
III
0.
В области II
д2 Л
+ ■
д2 л
и
аг & 2 ="МоУ
Нужно выразить у - плотность тока через В1, а следовательно, и А
В = го1А.
Используя уравнение (2), запишем
— дВ д -г дЛ
тоіЕ =------------=--------тоіЛ = —тої—.
ді ді ді
(4)
(5)
(6) (7)
(8)
Если равны роторы векторов, то равны и сами векторы с точностью до какой-либо постоянной величины, не оказывающей влияния на электродинамические процессы:
С другой стороны, согласно (3)
ё=8Л ді ■
- ^ дЛ
і =оЕ = —а—.
ді
Отсюда
д 2 Ап+ д 2 Лп
дх
2
дЛ
_ = (а—
дг ді
(9)
(10)
(11)
По условию нашей задачи решение не зависит от координаты у , следовательно, все производные по у = 0 . Так как ток имеет лишь составляющую у , следовательно,
Л
0, Ау, 0
Учитывая (12), раскроем определитель
— — дЛу дЛу
В = тоіЛ = —і—— + к у
дг
дx
(12)
(13)
то есть
аАУ
В = - У
аАу В =■ У
(14)
аг ах
Решение уравнений в частных производных (6), (7) и (11) обычно ищут в виде произведения двух членов, каждый из которых является функцией только одной координаты, то есть линейной комбинацией частных решений обыкновенных дифференциальных уравнений.
В нашем случае
пт1 -ОЕ ) . ПМ+ОЕ)
^ !' (15)
А = / (х)-(еМ -О] + е1М+°°])
П
где а , Т - полюсное деление индуктора МРС (магнитной системы 2, см. рис. 2); СО- частота системы 2
(рис. 2).
Учтем следующие моменты.
При наличии пазов магнитной системы 2 магнитное сопротивление зазора увеличивается, что учитывается коэффициентом : д = кд'д [4, с. 190]. Кроме того, нужно учесть, что магнитная проницаемость стали магнитной системы 2 не бесконечно велика. Это приводит к увеличению магнитного сопротивления . Учи-
к = —
тывается коэффициентами 1 М р , которые определяются исходя из параметров реальной
струкции МРС. Итак, д = кд-км'3'.
Решаем трехслойную задачу, причем д увеличивается из-за М магнитопровода Ф ^ , вводится коэффициент . 2.
Решаем задачу отдельно для каждой области рис. 2. Подставляя (15) в (6) и сокращая на
-о ) +0 )
кон-
Ф 0 , получим для областей I и III:
3 -°2Л,3(х)= °.
(16)
где к - различны для всех трех областей. Аналогично для области II из (11):
Обозначая
а / = шм°ок2.
2 2
Р =а + 'ацр-,
получим
д/ *2 дх1
Р2/г = °.
(17)
(18)
(19)
Уравнения (16), (19) есть дифференциальные уравнения II порядка. Решая их относительно / , получим:
для области I для области II для области III
Л
/ = с1еах + С2е~ах, /2 = С3еРх + САе~рх,
/з = С^е0 + С6е-
>
(20)
У
Учитывая (15), выражения для векторного потенциала в соответствующих областях запишутся:
А = (с1еах + С2е-т +аг] + е1(м -аг])
А2 = (с3е^ + САе~Рх \е1^+оаК е*(м -аг ]) -
А = (с5еах + Сфа \е*(м+а ] + е1(м -аг ])
Опуская промежуточные выкладки, получаем выражения для составляющих магнитного поля в области III (рис. 2):
Вх3 =-^А = -1а ■ С6е~ах УМ+<° ] - е‘М‘-аг ])=
&
04 В0/?е
а(д+Ь )+0Ь -ах
(уг(а1+аг) _ ^(м-аг))_
14В0аР а(8+Ь)+0Ь £-ахI(м+аг) _ ^'(м-аг))
а ■ ' '
Полученные результаты были использованы при инженерных расчетах ПНМРС, предназначенных для получения упрочняющих и износостойких покрытий различного состава на протяженные подложки со сложной геометрией поверхности, а также корректировки параметров технологических процессов напыления. Наиболее актуальным является использование исследованной ПНМРС для получения термоизолирующих и барьерных слоев из оксидов металлов и диэлектриков (структуры металл - диэлектрик - металл, диэлектрик - металл) с относительной неравномерностью по толщине получаемого покрытия ±10...15% для газотурбинных двигателей и агрегатов различного назначения.
Библиографический список
1. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радиосвязь, 1982. 72 с.
2. Спиваков Д.Д., Парфенёнок М.А., Телегин А.П. Оборудование для нанесения покрытий реактивным магнетронным распылением в режиме двойного незатухающего разряда // Вакуумная техника и технология. 2002. Т. 12, № 3. С.145-149.
3. Цилиндрическая магнетронная распылительная система. Патент РФ № 2174160 / Дьяконов А.Г., Сорокин Д.Г., опубл. БИ, № 27, 2001.
4. Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970. 272 с.
