3. РаЗработка конструкции магнетронной распылительной системы для нанесения функциональных слоев микро твердооксидных топливных элементов методом ионно плазменного распыления

3. Расчет параметров вч магнетронной распылительной системы для нанесения функциональных слоев мтотэ

Магнитная система магнетронной распылительной системы должна удовлетворять следующиАм требованиям:

1. Обеспечивать заданную величину и градиент напряженности магнитного поля в разрядной области ионного источника.

2. Формировать сбалансированную конфигурацию магнитных силовых линий в области генерации и ускорения ионов.

Распределение индукции магнитного поля над поверхностью мишени определялось с помощью программного комплекса моделирования двухмерных полей ELCUT (Quick Field) [18]. Это интегрированная диалоговая система программ, позволяющая решать плоские и осесимметричные задачи линейной и нелинейной магнитостатики методом конечных элементов. Магнитная система МРС в данном случае представляется как набор подобластей, представляющих собой одно - и многосвязные криволинейные многоугольники в плоскости модели, не пересекающиеся между собой иначе, как по границе. Каждой подобласти приписан определенный набор физических свойств. В нелинейной постановке свойства магнитных материалов считаются изотропными (m_x=m_y или m_z=m_r) и задаются зависимостью B-H, представленной кубическим сплайном. Источником поля в данном случае служат сосредоточенные и распределенные токи и токовые слои, постоянные магниты, а также внешние магнитные поля.

Для решения задач программа ELCUT использует метод Ньютона - Рафсона, причем решение линейной задачи на каждой итерации этого метода осуществляется методом сопряженных градиентов с предобуславливанием матрицы по методу декомпозиции области. Такой подход позволяет получить высокую скорость решения при почти линейной зависимости необходимого количества итераций от количества узлов сетки. Критерием завершения итерационного процесса служит достижение заданной точности решения. Ускорение процесса решения достигается за счет согласования необходимой точности решения линейной задачи с предварительной оценкой точности, которая может быть достигнута на данной итерации метода Ньютона - Рафсона.

Для проведения расчетов магнитных полей магнетрона магнитная система была разделена на две части, которые представляют собой две полуокружности.

В качестве граничных условий была выбрано условие совпадения вектора магнитной индукции с осью магнетрона.

Созданы двумерные компьютерные модели магнетронной распылительной системы. Геометрия двумерной модели магнетронной распылительной системы представлена на рисунке 3.1. Далее модель разбивалась на конечные элементы. На рисунке 3.2 представлена модель магнетронной распылительной системы с нанесенной конечно-элементной сеткой.

Рисунок 3.1 – Геометрия двумерной модели магнетронной распылительной системы

Для определения оптимальной конфигурации магнитной системы были проведены расчеты нескольких различных конфигураций магнитных систем магнетронной распылительной системы.

Рисунок 3.2 – Модель магнетронной распылительной системы с нанесенной конечно-элементной сеткой

Для достижения заданного диапазона рабочих давлений необходимо было обеспечить индукцию магнитного поля у поверхности мишени порядка 0,08-0,1 Тл. В качестве источников магнитного поля чаще всего применяются постоянные магниты на основе бариево-стронциеаых ферритов, сплавов альнико и сплавов кобальта с редкоземельными элементами. Основные параметры постоянных магнитов приведены в таблице 3.1. В настоящее время наибольшее распространение по­лучили три типа магнитов: ферритовые, на основе редкоземель­ных элементов и на основе металлических сплавов.

Магниты на основе редкоземельных элементов сочетают вы­сокие значения напряженности магнитного поля и остаточной намагниченности, но при этом имеют значительно большую стоимость. Остаточная намагниченность Sm — Со-магнитов практически достигла теоретических пределов. Дальнейшее улучшение этих параметров стало возможным благодаря раз­работке новых магнитных материалов на основе Nd, который к тому же дешевле Sm. Широкое распространение получили магниты на основе сплава альнико, который легко поддается машинной обработке. В то же время высокая стоимость Со заставляет искать более дешевые металлические сплавы (например, на основе Мп и А1), близкие по своим свойствам к альнико. Все эти ма­териалы обладают достаточно высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией и могут длительно сохранять эти пара­метры в нормальных условиях.

В качестве источника магнитного поля разрабатываемой МРС рассматривались магниты неодин-железо-бор, обладающие хорошими магнитными характеристиками.

Таблица 3.1 − Основные параметры постоянных магнитов

Тип магнита, состояние производства	Напряжённость магнитного поля Н, кА/м			Остаточная намагниченность В, Тл		(НВ)max, ТлкА/м	Температура Кюри, оС			Температурный коэффициент остаточной намагниченности, %/оС
1	2			3		4	5			6
Ферритовые серийные	220-330		0,35-0,4			26-28			450			0,19
На основе редкоземельных элементов
Sm2Co5
Серийные		700			1,0	210		725			0,03-0,05
Экспериментальные		3200			1,0	200		–––			–––
Sm2Co17
Серийные Fe-Pr-B-Si		560			1,0	200		900			0,03
Основные параметры постоянных магнитов
Экспериментальные		520			1,1	240		–––			–––
Nd-Fe-B-Co-Al
Экспериментальные		880			–––	96		780			–––
Nd-Fe-B
Эксперименальные		880			1.3	330		500			0,071
Al-Ni-Co
Серийные		1300			–––	290-360		300			–––

Продолжение таблицы 3.1

1	2	3	4	5	6
Эксперимен тальные	1400	–––	360	312	0,142
На основе металлических сплавов
Al-Ni-Co
Литые	56-150	0,7-1,3	40-80	860	0,012
Спеченые	48-140	0,8-1,1	32-44	–––	–––
Mn-Al
Экспериментальные	200-240	0,5-0,6	40-56	300	0,12
Fe-Co-Cr
Экспериментальные	1000	1,3	64	672	–––

На рисунке 3.3 представлена конфигурация магнитных полей оптимизированной магнитной системы магнетронной распылительной системы. На основе моделирования получена модель магнитной системы, которая обеспечивает сбалансированную конфигурацию магнитного поля. Установлено, что индукция магнитного поля на поверхности мишени составляет не менее 0,1 Тл.

Рисунок 3.3 – Результаты моделирования конфигурации магнитных полей магнетронной распылительной системы

Отмечено, что по боковым сторонам создается область скрещенных E×H полей, что позволяет говорить о возможности возникновения паразитного разряда. В данном случае необходимо экранирование деталей, находящихся под потенциалом, в данном случае катода.

Для определения влияния электрических полей на МРС, были произведены соответствующие расчеты (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Результаты моделирования конфигурации электрических полей магнетронной распылительной системы

Так же для оптимизации МРС были сделаны ряд расчетов по исследованию тепловых полей МРС (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 – Результаты моделирования тепловых полей

Для определения магнитных, электрических и тепловых полей, были использованы такие данные как:

• Коэрцитивная сила – Н = 9*10^-5А/м

• Остаточная намагниченность В= 1.1Тл

• Напряжение на аноде U_A=0 и катоде U_к=450 В

• Теплопроводимость материалов (Cu=401Вт/к*м, Fe=80 Вт/к*м, Al=237 Вт/к*м, Сталь30=85 Вт/к*м, Сталь12х18Н10Т=15.1 Вт/к*м, Вода H₂O=600*10^-3 Вт/к*м)

• Напряжение подаваемое на мишень U = 700Вт

• Температура воды - 25^оС

Таким образом можно сделать вывод, что разрабатываемая конструкция МРС в полной мере удовлетворяет заданным техническим требованиям.