Розглянуто конструкторсько технологічні аспекти виробництва мішеней з чистих тугоплавких металів для різних типів магнетрона распилітел'них систем.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Зотов С. В., Трушин Н. Н.


MANUFACTURING FEATURES OF SHOOTNGMARKFORMAGNETRON SPRAY SYSTEM

The manufacturing features of shooting mark made of chemically pure refractory metal for different magnetron spray system are reviewed.


Область наук:

  • технології матеріалів

  • Рік видавництва: 2011


    Журнал: Известия Тульського державного університету. Технічні науки


    Наукова стаття на тему 'Конструкторсько-технологічні аспекти виробництва мішеней для магнетрона-розпилювальних систем'

    Текст наукової роботи на тему «Конструкторсько-технологічні аспекти виробництва мішеней для магнетрона-розпилювальних систем»

    ?УДК 621.793.7: 669.24 / .29 С. В. Зотов, асист.,

    Н. Н. Трушин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-18-87, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. (Росія, Тула, ТулГУ)

    КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ВИРОБНИЦТВА МІШЕНЕЙ

    ДЛЯ магнетрона-розпилювальні СИСТЕМ

    Розглянуто конструкторсько-технологічні аспекти виробництва мішеней з чистих тугоплавких металів для різних типів магнетрона-распилітел'них систем.

    Ключові слова: магнетрон-распилітел'ная система, мішень, анод, металеве покриття.

    На сучасному етапі розвитку електротехнічної промисловості виникла необхідність в металевих покриттях товщиною менше 1 мкм, нанесених на поверхню з різних матеріалів (пластмаса, скло, метал ит. Д.). Такі металеві плівки можуть бути отримані в установках типу "Магнетрон" і аналогічних, де матеріал - плівку з якого необхідно нанести на потрібну поверхню - використовують як витрачається електрода, званого мішенню.

    Магнетронниє системи відносяться до систем розпилення діодного типу, в яких розпилення матеріалу відбувається за рахунок бомбардування поверхні мішені іонами робочого газу, що утворюються в газі аномально тліючого розряду. Висока швидкість розпилення, характерна для цих систем, досягається збільшенням щільності іонного струму за рахунок локалізації плазми у розпилюється поверхні мішені за допомогою сильного поперечного магнітного поля.

    Основними елементами магнетронній розпилювальної системи є катод-мішень, анод і магнітна система. Силові лінії магнітного поля замикаються між полюсами магнітної системи. Поверхня мішені, розташована між місцями входу і виходу силових ліній магнітного поля, інтенсивно розпорошується і має вигляд замкнутої доріжки, геометрія якої визначається формою полюсів магнітної системи.

    При подачі постійної напруги між мішенню (негативний потенціал) і анодом (позитивний або негативний потенціал) виникає неоднорідне електричне поле і збуджує аномальний тліючий розряд. Наявність замкнутого магнітного поля у розпилюється поверхні мішені дозволяє локалізувати плазму розряду безпосередньо у мішені. Емітовані з катода під дією іонного бомбардування електрони захоплюються магнітним полем, їм повідомляється складність-

    265

    ве циклоїдальних рух по замкнутих траєкторіях у поверхні мішені. Електрони опиняються як би в пастці, створюваної з одного боку магнітним полем, що повертається електрони на катод, а з іншого боку - поверхнею мішені, відразливою електрони.

    Електрони циркулюють в цій пастці до тих пір, поки не відбудеться кілька іонізуючих зіткнень з атомами робочого газу, в результаті яких електрон втратить отриману від електричного поля енергію. Таким чином, більша частина енергії електрона, перш ніж він потрапить на анод, використовується на іонізацію і збудження, що значно збільшує ефективність процесу іонізації і призводить до зростання концентрації позитивних іонів біля поверхні катода. Що в свою чергу обумовлює збільшення інтенсивності іонного бомбардування поверхні мішені і значне зростання швидкості розпилення, а отже, і швидкості осадження плівки.

    Магнетрона розпилювальна система може працювати в діапазоні тисків від 10 до 1 Па і вище. Найважливішими параметрами, багато в чому визначають характер розряду в ній, є геометрія і величина магнітного поля, індукція якого біля поверхні мішені 0,03 - 0,1 Тл.

    Конструкції сучасних магнетронних розпилювальних систем вельми різноманітні. Найбільш поширені конструкції описані в [1].

    В даний час відомо безліч конструктивних варіантів магнетронних розпилювальних систем, але найбільшого поширення в промисловості отримали системи з мішенями конічної і плоскої форм.

    Конструкції магнетронних систем повинні забезпечувати високу швидкість розпилення, мінімальне негативний вплив на оброблювані структури, високий коефіцієнт використання матеріалу мішені, можливість розпилювання різноманітних матеріалів, нанесення плівкових покриттів на великі площі з мінімальною нерівномірністю по товщині, високу надійність роботи, великий термін служби і інші. Більшість з цих вимог задовольняється правильним вибором конструкції магнетронній і форми мішені.

    Магнітна система, що є одним з конструктивних елементів магнетронній системи, повинна формувати у поверхні мішені поле заданої конфігурації і величини з мінімальним розсіюванням для створення ефективної магнітної пастки для електронів. Дослідження з макетування магнітних полів дозволили виявити найбільш доцільні варіанти конструкції магнітної системи з точки зору простоти і можливості отримання магнітного поля необхідної геометрії і величини [3].

    Форма мішені обумовлюється видом розпорошується матеріалу і геометрією магнітної системи. Мішень повинна забезпечувати високий коефіцієнт використання її матеріалу (що особливо важливо, оскільки розпорошення мішені не рівномірно, вартість мішені висока), хороший електричний і тепловий контакти з водоохолоджуваним держателем, зручність заміни, мінімальне екранування магнітного поля.

    Слід зазначити, що конічні мішені не вимагають спеціального кріплення, оскільки вони Самоущільнюючий в водоохолоджуваному тримачі внаслідок їх розширення при нагріванні, забезпечуючи надалі надійний теплової і електричний контакти, що особливо важливо при розпилюванні легкоплавких матеріалів. При розробці магнетронних систем з плоскими мішенями найбільш гостро постає проблема їх охолодження. Значні щільності струму на розпилюється поверхні призводять до нерівномірного розігріву мішені, що призводить до її викривлення, а в місцях поганого контакту з власником - до її розплавлення. При цьому традиційний метод кріплення гвинтами не ефективний. Більший ефект дає приклеювання мішені до держателю за допомогою спеціальних проводять клеїв, однак наявність локальних областей перегріву при недостатньому охолодженні може викликати сильне газовиділення і руйнування клейового шару. Надійним і ефективним способом кріплення мішеней є пайка за допомогою припоїв на основі олова, індію або їх сплавів. У той же час кріплення мішеней за допомогою клеїв і припоїв ускладнює заміну мішеней, а самі клеї і припої можуть впливати на склад газового середовища вакуумного робочого об'єму. Тому частіше перевага віддається тим формам мішені, які забезпечують надійний тепловий контакт з водоохолоджуваним власником і легко знімаються.

    У найпростішому випадку конструкція магнетронних розпилювальних систем з плоскими мішенями включає магнітний блок, вмонтований в водоохолоджуваний корпус, який є одночасно і власником мішені. Навколо корпусу розташовується анод у вигляді циліндра або мідної трубки з проточною водою, встановлений по периметру мішені поблизу її. Анод зазвичай заземлюється. Для більш повного усунення бомбардування підкладок вторинними електронами катодний блок оточується заземленим екраном, а по периметру мішені і в центрі встановлюються ізольовані аноди, які мають невеликий (близько 50 В) позитивний потенціал щодо землі. Аноди перекривають місця входу і виходу силових ліній магнітного поля і вловлюють розсіюється вздовж силових ліній вторинні електрони, залишаючи відкритою тільки ту область мішені, де силові лінії паралельні розпилюється поверхні і швидкість розпилення максимальна. Екранування слабо розпилюються ділянок мішені покращує властивості одержуваних плівок. При виготовленні чутливих до радіаційного впливу приладів доцільно

    додатково вловлювати які летять у бік підкладки іони, які, наприклад, можуть утворитися в результаті іонізації розпорошених атомів мішені. У цьому випадку над поверхнею позитивного анода встановлюється додатковий негативний електрод.

    Інша конструкція магнетронній розпилювальної системи, що використовує мішень спеціальної форми - чотири складові частини зі стрижнів з заданим профілем перетину, розташованих уздовж прямокутної зони розпилення. Кожна частина кріпиться до центру і по периметру брусками з магнітного матеріалу, які є в даному випадку полюсними наконечниками, які виводять силові лінії магнітного поля від полюсів магнітної системи на поверхню мішені. Це дозволяє розпорошувати досить товсті мішені. [1, 2] Після розпилення половини матеріалу мішені вона перевертається і проводиться розпорошення решти, що забезпечує підвищення коефіцієнта використання матеріалу мішені до 90%.

    У типовій конструкції магнетронній розпилювальної системи з конічною мішенню магнітна система з власником і мішенню поміщається в заземлений корпус, який грає роль додаткового анода. Основний анод розташовується в центрі, і на нього може бути подано позитивний зсув. Недоліком такої магнетронній системи є складність виготовлення магнітної системи, що забезпечує фокусування силових ліній магнітного поля міжполюсними наконечниками. Зазвичай спостерігаються спотворення і розсіювання силових ліній у верхнього зовнішнього полюсного наконечника, що ускладнює локалізацію плазми в центральній найбільш товстої частини мішені.

    Позитивного результату можна досягти, використовуючи додаткову магнітну систему, розташовану над верхнім полюсним наконечником безпосередньо під додатковим анодом.

    З коефіцієнтом використання розпорошується матеріалу тісно пов'язана проблема рівномірності розпилення мішені. Вище були показані шляхи підвищення коефіцієнта використання розпорошується матеріалу вибором мішені певної геометрії. Однак існує ще один шлях - застосування скануючого магнітного поля. Існують два способи переміщення магнітного поля по поверхні мішені: електромагнітний і механічний.

    У першому випадку навколо мішені встановлюють електромагніт, який створює додаткове змінне магнітне поле, перпендикулярне поверхні мішені.

    Використання додаткового змінного поля виробляє деформацію основного поля: вершина арки починає зміщуватися від середньої лінії, в результаті чого відбувається симетричне зміщення зони максимальної ерозії, і профіль розпилення стає майже прямокутним.

    Рівномірність розпилення мішені можна значно збільшити, використовуючи многоячеістую електромагнітну систему, що харчуються від мережі змінного струму.

    Основні області застосування цього методу отримання покриттів -Дисплей телевізорів, телефонів, комп'ютерів. При цьому на скло наносять почергово плівки різних матеріалів Сг, А1, Мо, 7г, Т ^ Si і їх з'єднань, оксидів металів ит. д. і при електромагнітному збудженні осередку певного металу виникає відповідний колір на екрані; покриття на СБ і БУБ дисках, світловідбивними скло на будівлях; антикорозійні, зносостійкі покриття на виробах; декоративні покриття ит. д.

    Виготовити мішень з пластичного матеріалу не становить особливих труднощів, але при механічній обробці таких матеріалів, як чистий метал (Сг, ', Т ^ А1 і ін.) Виникає багато технологічних проблем, які пов'язані в першу чергу з властивостями самого матеріалу.

    Наприклад, хром і вольфрам мають високу твердість, але дуже крихкі; крім цього, механічна обробка таких металів безпосередньо залежить від структурного і енергетичного стану самого матеріалу.

    Перераховані метали відносяться до групи тугоплавких, тому процес виробництва заготовок з них пов'язаний з високими температурами і досить складний, що в свою чергу ускладнює отримання стабільних характеристик матеріалу. Тому технологічний процес обробки заготовок може носити загальний характер, а конкретні режими, найчастіше доводиться підбирати або уточнювати до кожної партії заготовок після аналізу мікроструктури і механічних випробувань.

    Тонкі плівки з хрому застосовуються при виробництві жорстких магнітних дисків пристроїв зовнішньої пам'яті комп'ютерів в якості захисного шару магнітної пам'яті, в інтегральних мікросхемах, фотомаскою, рідкокристалічних дисплеях, використовуються при виробництві дзеркал, архітектурних стекол, в оптиці, біжутерії, як покриття на леза бритв і в інших цілях.

    Вироби з хрому і вольфраму чистотою не менше 3К отримують методами порошкової металургії. Основні способи отримання заготовок з хрому наступні:

    1. Пресування порошку хрому, спікання заготовки, капсулірова-ня в сталеву оболонку (для захисту від окислення при нагріванні перед деформацією) деформація на стані або молоті, механічна обробка.

    2. Засипка порошку в капсулу, вакуумирование і заварка капсули, ущільнення в "газостате" (прес з робочою атмосферою - аргон) при високому тиску і температурі.

    При різних способах виробництва отримую заготовки різної форми, розмірів і структури матеріалу, що вимагає відповідно і різних процесів механічної обробки.

    Після першого способу, як правило, під кожен виріб окрема заготівля - плоска або кругла масою ~ від 1 до 40 кг. Їх механічна обробка включає наступні операції: обрізка заготовок по контуру на відрізних верстатах, зняття матеріалу оболонки і проміжного шару интерметаллида (СгБе) на фрезерних верстатах, фрезерування в розмір, доведення на плоскошліфувальних верстатах до потрібних допусків і чистоти поверхні.

    Основний вид шлюбу при механічній обробці - тріщини і відколи на виробах і раковини на поверхні.

    Причину появи тріщин часто важко кваліфікувати однозначно, так як це може бути як дефект деформації, прихований матеріалом оболонки, так і більше допустимих зусилля при закріпленні заготовки у верстаті, велика подача при різанні, погано загострено інструмент ит. д.

    Раковини також можуть бути як через дефект матеріалу (сторонні включення, викришування через ослаблення меж зерен) так і через неправильно підібраного ріжучого інструменту або режимів різання.

    Шлюб, виявлений на операціях механічної обробки становить 20 ... 30% в окремих випадках доходить до 50%. У зв'язку з цим дуже важливо виключити всі причини браку пов'язані з самим процесом механічної обробки.

    Найбільшого поширення в даний час отримав другий спосіб виробництва мішеней з хрому.

    При газостатичному пресуванні отримують брикет масою 2 тонни і більше, і його ріжуть на вироби потрібного розміру. В цьому випадку виходить велика кількість виробів з однаковою структурою матеріалу і хімічним складом, що дозволяє використовувати одні режими обробки на всі вироби однакового розміру.

    Процес механічної обробки складається з наступних операцій: обрізка на пилі матеріалу капсули, порізка на пилі на заготовки близькі по товщині до виробу, токарна або фрезерна обробка, шліфування.

    Основні види браку - тріщини і відколи, разнотолщинность заготовки через відхилення пилки, раковини на поверхні. Шлюб зазвичай становить 10.15%, в окремих випадках до 20%. При цьому способі виробництва вплив технологічного процесу виробництва самого матеріалу значно менше, структура його більш пластична і відповідно

    більше значення має правильно підібрані режими різання і інструмент.

    Таким чином, актуальними завданнями в технології обробки виробів з чистого хрому є наступні:

    1) вдосконалення процесів отримання вихідних заготовок мішені;

    2) створення організаційно-технологічного забезпечення формалізації і автоматизації оптимального проектування процесів обробки заготовок з чистих металів;

    3) вдосконалення існуючих і створення нових технологічних процесів і засобів технологічного оснащення механічної обробки заготовок з чистих металів;

    4) вдосконалення методів контролю та забезпечення якості деталей з чистих металів.

    Дослідження показують, що навіть незначне підвищення ефективності будь-якого етапу технологічного ланцюжка дає істотне зниження собівартості виробництва деталей з чистого хрому.

    Список літератури

    1. Арцимовича Л. А. Плазмові прискорювачі. М .: Машинобудування, 1973. 405 з.

    2. Данілін Б. С., Неволін В. К., Сирчін В. К. Дослідження магнетронних систем іонного розпилення матеріалів // Електронна техніка. Сер. Мікроелектроннікі, 1977. C. 32-45.

    3. Данілін Б. С., Сирчін В. К. Магнетронниє розпилювальні системи. М .: Радио и связь, 1982. 352 с.

    4. Іванов Ю. І., Носов Н. В. Ефективність і якість обробки інструментами на гнучкій основі. М .: Машинобудування, 1985. 453 з.

    5. Саллі А. Хром. М .: Металлургиздат, 1958. 292 с.

    6. Мітін Б. С. Порошкова металургія та напилені покриття. М .: Металургія, 1987. 792 с.

    S. Zotov, N. Trushin

    MANUFACTURING FEATURES OF SHOOTINGMAEKFORMAGNETRON-SPRAY SYSTEM

    The manufacturing features of shooting mark made of chemically pure refractory metal for different magnetron-spray system are reviewed.

    Key words: magnetron-spray system, a target, the anode, a metal covering.

    отримано 08.11.10


    Ключові слова: Магнетрона РАСПИЛІТЕЛ'НАЯ СИСТЕМА /МІШЕНЬ /АНОД /металеві покриття

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити