Автоматизация контроля скоростей распыления и осаждения тонких пленок методом электронно-эмиссионной спектроскопии при магнетронном нанесении

Осаждение материалов в вакууме является одной из эффективных технологий получения тонкопленочных покрытий, применяемых в машиностроении, приборостроении и электронике. В последнее время наибольшее распространение в этой сфере получили технологии ионно-плазменного распыления, в частности, планарные магнетронные распылительные системы.

Свойства получаемых покрытий зависят от множества параметров технологического процесса. Одним из основных таких параметров является скорость осаждения материала, которая оказывает большое влияние на структуру, адгезию и электрофизические свойства пленки, а при одновременном использовании нескольких распылительных систем для получения сложных многокомпонентных покрытий — на химический состав пленки. Также, зная среднее значение скорости осаждения, можно рассчитать текущую толщину напыляемого покрытия.

Получение покрытий с заданными параметрами можно обеспечить контролем и управлением скоростью осаждения материала. Поэтому актуальной является задача непрерывного автоматизированного контроля и регулирования скорости осаждения покрытий.

Наиболее широко распространенные в промышленности методы контроля осаждения пленок с использованием кварцевого пьезокристалла или ионизации потока паров осажденного материала во многих случаях не обеспечивают требуемой точности контроля либо имеют малый ресурс непрерывной работы.

В данной работе был усовершенствован метод электронно-эмиссионной спектроскопии для определения скоростей распыления и осаждения материала в процессе получения тонкопленочных покрытий в вакууме для магнетронных систем распыления путем создания математической модели метода, автоматизации процесса и разработки нового электронно-эмиссионного датчика.

Объектом исследования настоящей работы является технологический процесс осаждения тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления материала.

Предметом исследования являются методы оперативного контроля скорости осаждения материала в вакууме и средства их автоматизации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ — разработка и исследование автоматизированной системы контроля скоростей распыления и осаждения материала в вакууме, основанной на методе электронно-эмиссионной спектроскопии, на базе персонального компьютера класса IBM PC.

Для выполнения работы используются следующие методы исследования:

— анализ состояния проблемы автоматизации известных методов оперативного контроля скорости осаждения покрытий в вакууме;

— математическое моделирование планарной магнетронной системы распыления;

— математическое моделирование электронно-эмиссионного датчика контроля скорости осаждения материала в вакууме;

— экспериментальное исследование автоматизированной системы контроля скоростей распыления и осаждения материала с использованием электронно-эмиссионного датчика.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана и исследована автоматизированная система оперативного контроля скоростей распыления и осаждения материала на базе электронно-эмиссионного датчика и персонального компьютера для вакуумных установок, содержащих магнетронные распылительные системы;

— предложена, исследована и доказана возможность определения скоростей распыления и осаждения материалов в вакууме по интенсивности отдельных спектральных линий спектра излучения плазмы методом электронно-эмиссионной спектроскопии при магнетронном распылении;

— разработана математическая модель магнетронной системы, характеризующая зависимость между интенсивностью отдельных спектральных линий плазмы и основными параметрами технологического процесса (геометрическими особенностями магнетронной системы распыления, скоростью распыления материала, давлением рабочего газа, типом распыляемого материала и т. д.);

— разработан и исследован новый электронно-эмиссионный датчик скорости осаждения материала на основе предложенного метода;

— разработана и исследована математическая модель электронно-эмиссионного датчика, определяющая зависимость выходного сигнала датчика от основных параметров технологического процесса.

В результате проведения исследований сформулированы основные научные положения, которые выносятся на защиту:

— автоматизированная система контроля скоростей осаждения и распыления материала в вакууме;

— способ определения скоростей распыления и осаждения материала в вакууме, а также анализа состава наносимого покрытия;

— математическая модель магнетронной распылительной системы;

— структура электронно-эмиссионного датчика контроля скорости осаждения;

— математическая модель электронно-эмиссионного датчика.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— разработанная автоматизированная система контроля (АСК) на базе электронно-эмиссионного датчика внедрена в процесс производства мини-джойстиков;

— результаты разработки, теоретические и экспериментальные исследования электронно-эмиссионного датчика скоростей распыления и осаждения покрытий используются в учебном процессе РГАТА имени П. А. Соловьева.

Достоверность теоретических результатов подтверждена экспериментальными исследованиями и испытаниями макета разработанной автоматизированной системы контроля толщины покрытий на базе электронно-эмиссионного датчика.

Результаты работы прошли апробацию на 6 международных, всероссийских межрегиональных, научно-технических и студенческих конференциях и семинарах:

— IX, X, XI Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2003, 2004, 2005);

— Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование и обработка информации в технических системах» (Рыбинск, 2004);

— XXIX Конференции молодых ученых и студентов (Рыбинск, 2005);

— Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов имени П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск 2006).

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 8 статей и 3 тезисов докладов.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка источников и двух приложений на 129 листах, содержит 40 рисунков, 14 таблиц, список источников из 81 наименования.

4.5 Выводы по четвертой главе.

1. Описаны опытные образцы электронно-эмиссионного датчика и автоматизированной системы контроля скоростей распыления и осаждения материала.

2. Создано программное обеспечение АСК ТП, отвечающее всем необходимым требованиям использования данной системы на производстве.

3. Проведены экспериментальные исследования макета АСК ТП на установке УВН-75Р-1, в результате которых были получены зависимости скорости распыления материала от тока разряда магнетрона, скорости осаждения материала от давления рабочего газа в камере.

4. На основе полученных зависимостей были сделаны выводы, что зависимость скорости распыления материала от тока разряда имеет линейный характер, что свидетельствует об адекватности математических моделей магнетронной системы распыления и электронно-эмиссионного датчика.

5. Получено значение относительной погрешности АСК ТП измерения скоростей распыления и осаждения материала, которое составляет 11,5% при токе 0,4 А.

6. Установлен диапазон давлений рабочего газа в камере (от 9 • Ю-4 до 2−10 мм рт. ст), при котором скорость распыления материала максимальна.

7. Получено значение чувствительности датчика по скорости распыления, составившее 500 В ¦ с • г-1.

8. В результате проведенных промышленных испытаний АСК ТП, показано, что разработанная система позволяет контролировать скорости распыления и осаждения материала, чем достигается улучшение параметров покрытий изготавливаемых изделий, а также уменьшается количество брака на 12%.

Ill.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты работы показали возможность создания автоматизированной системы контроля скоростей распыления и осаждения материала в вакууме на базе персонального компьютера класса IBM PC с использованием электронно-эмиссионного датчика для магнетронных систем распыления, позволяющую увеличить надежность, а в ряде случаев и точность системы контроля по сравнению с существующими устройствами.

В процессе выполнения работы были получены следующие основные результаты.

1. Рассмотрены и проанализированы существующие косвенные и прямые методы, предназначенные для контроля скорости осаждения покрытий в вакууме. Было показано, что наиболее часто используемые методы (метод кварцевого резонатора и ионизационный метод) имеют существенные недостатки (малый ресурс датчика, недостаточную точность). Определено, что наибольшему числу требований, предъявляемых к методам контроля скорости осаждения покрытий, отвечает метод электронно-эмиссионной спектроскопии, но в конструкции существующих датчиков применяется накальный катод. Из-за этого уменьшается надежность датчика.

2. Проведен анализ процессов, происходящих при магнетронном распылении материала. На его основе был предложен новый способ определения скоростей распыления и осаждения материала, основанный на методе электронно-эмиссионной спектроскопии.

3. Разработана математическая модель магнетронной системы, характеризующая зависимости между основными параметрами технологического процесса, основанная на предложенном способе.

4. Для контроля скоростей распыления и осаждения материала в вакууме при магнетронном распылении разработан и исследован новый электронно-эмиссионный датчик, позволяющий повысить надежность контроля по сравнению с существующим электронно-эмиссионным датчиком, описанным в гл. 1. Чувствительность разработанного датчика по скорости распыления составила 500 В-с-г-1.

5. Разработана математическая модель электронно-эмиссионного датчика, описывающая влияние основных параметров технологического процесса на показания датчика.

6. Предложен способ оперативного контроля анализа состава осаждаемого покрытия.

7. Разработана автоматизированная система контроля скоростей распыления и осаждения материала в вакууме при магнетронном распылении на базе персонального компьютера. В качестве датчика скорости используется электронно-эмиссионный датчик.

8. Созданы и описаны опытные образцы электронно-эмиссионного датчика и автоматизированной системы контроля скоростей распыления и осаждения материала в вакууме.

9. Проведены экспериментальные исследования разработанной системы контроля и датчика. Установлены практические зависимости между основными параметрами технологического процесса и регистрируемыми скоростями распыления и осаждения. По результатам проведенных экспериментов относительная погрешность разработанной системы контроля составила 11,5% при токе 0,4 А. Так же был установлен диапазон давлений рабочего газа в камере (от 9 • Ю-4 до 2 • Ю-3 мм рт. ст.), при котором скорость распыления материала максимальна.

Результаты диссертационной работы внедрены на HI 111 «Тензосенсор», НТЦ «Интрофизика» и используются в учебном процессе в РГАТА им. П. А. Соловьева. Использование автоматизированной системы контроля скоростей распыления и осаждения материала на базе электронно-эмиссионного датчика позволяет уменьшить физическую нагрузку операторов установок вакуумного напыления и увеличить точность контроля скоростей распыления и осаждения материала, чем достигается улучшение параметров тонкопленочных покрытий изготавливаемых изделий, а также уменьшается количество брака.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Э. И. Семенову, доценту А. В. Гусарову, профессору В. М. Комарову (РГАТА им. П. А. Соловьева), В. С. Никитину (Hi111 «Тензосенсор») за помощь при проведении испытаний и внедрении АСК ТП на базе электронно-эмиссионного датчика, а также Н. А. Швалеву, И. Ю. Паутову, А. С. Истомину за моральную поддержку.