WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

ТИМАКОВ Сергей Владимирович

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

РЕЖИМАМИ МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ

ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ПЛЕНОК

Специальности: 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроения);

05.11.14 – Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2011

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт физических измерений».

Научные руководители – доктор технических наук, профессор Цыпин Борис Вульфович;

кандидат технических наук, доцент Блинов Александр Вячеславович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Васильев Валерий Анатольевич;

доктор технических наук, профессор Михеев Михаил Юрьевич.

Ведущая организация – ОАО «НПО измерительная техника»

(г. Королев).

Защита диссертации состоится 19 мая 2011 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», автореферат размещен на сайте www.pnzgu.ru Автореферат разослан «» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Чувствительными элементами многих датчиков физических величин являются тензорезисторы. Современные датчики в качестве тензорезисторов используют тонкие тензорезистивные пленки. Основными методами формирования тензорезистивных слоев являются методы вакуумного термического резистивного испарения и взрывного испарения. Несмотря на применение сложных двухкамерных испарителей и программного управления технологическими режимами, позволяющими повысить воспроизводимость получаемых тонких пленок, технологические возможности этих методов практически исчерпаны.





В настоящее время интенсивно развивается метод магнетронного распыления, обеспечивающий широкие возможности для автоматизации технологических режимов. Исследования в области магнетронного распыления ведут фирмы BOC EDVARDS (Великобритания), Ulvac (Япония), Balzers (Германия), ЭСТО-Вакуум (Москва), Endevco (США), BDSensor GmbH (Германия), ОАО «Чезара» (г. Чернигов), НПО Измерительной техники (г. Королев).

Использование импульсных режимов распыления, начавшееся на рубеже XX и XXI вв., дало методу магнетронного распыления новые возможности.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы создали отечественные и зарубежные ученые: Thornton J. A., Sigmund P., Musil J., Belkind A., Данилин Б. С., Кузьмичев А. И., Марахтанов М. К., Двинин С. А., Берлин Е. В.

и др. Накопленный опыт и созданная на его основе теоретическая база позволяют эффективно проводить синтез тензорезистивных пленок. Однако остается актуальной задача создания систем управления технологическими режимами, позволяющих проводить синтез многокомпонентных тензорезистивных пленок и оперативно регулировать их состав.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка систем управления и отработка технологических режимов магнетронного нанесения многокомпонентных тензорезистивных пленок.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

анализ методов и средств изготовления тензорезисторных пленок и выбор базового оборудования для их получения;

разработка систем управления технологическими режимами магнетронного нанесения тензорезистивных пленок и их основных узлов;

исследование энергетических характеристик процесса синтеза пленок при импульсном магнетронном распылении и выбор технологических режимов синтеза;

проведение экспериментальных исследований по получению тонкопленочных тензорезистивных элементов с различным содержанием компонентов и изучение их свойств.

Методы исследований. Использованы основные положения теории построения информационно-измерительных и управляющих систем, физики тонких пленок, теории магнетронного распыления и методы математического моделирования.

Экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений и планировании эксперимента.

Научная новизна работы:

1. Разработаны принципы построения систем программного и адаптивного управления технологическими режимами получения тензорезистивных тонких пленок.

2. Предложены пути реализации систем многомагнетронного нанесения тонких пленок из раздельных мишеней и их основных узлов, обеспечивающие возможность оперативного управления процессом распыления.

3. Уточнены механизмы роста тонкопленочных покрытий, получаемых из нескольких магнетронных распылителей при импульсном питании.





4. Выработаны рекомендации по составу двухкомпонентных тензорезистивных пленок хром-никель и режимам их нанесения, обеспечивающие малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа и рекомендации по выбору базового оборудования для синтеза тензорезистивных пленок, конструкции внутрикамерных устройств вакуумных установок и магнетронного распылителя.

2. Принципы построения и структуры систем программного управления оборудованием для магнетронного нанесения пленок в вакууме, позволяющие оперативно изменять состав получаемых пленок.

3. Принципы построения и структура адаптивной системы управления оборудованием для магнетронного нанесения пленок, обеспечивающие повышение воспроизводимости результатов технологического процесса.

4. Результаты исследования свойств синтезированных двухкомпонентных пленок хром-никель с различным содержанием компонентов и рекомендации по режимам работы оборудования, обеспечивающие получение тензорезисторов с заданными свойствами.

5. Рекомендации по режимам нанесения тонких тензорезистивных пленок и их составу, обеспечивающие получение минимального ТКС тензорезисторов.

Практическая значимость. Результаты исследований использованы при выполнении работ в рамках Федеральной космической программы России 2006–2015 гг.

Применение разработанных систем управления, магнетронного распылителя и технологических режимов позволяет изучать и анализировать свойства новых, перспективных тонкопленочных материалов, минуя стадию разработки и изготовления специального сплава для изготовления мишеней.

В результате исследований выработаны практические рекомендации по составу и режимам напыления пленок с минимальным значением ТКС.

Реализация результатов работы. Системы управления технологическими режимами магнетронного нанесения магнетронным распылителем, конструкции внутрикамерного устройства установки с двумя магнетронными распылителями и программы управления током магнетронного распылителя и технологические режимы нанесения пленок хром-никель внедрены в производстве ОАО «НИИФИ». На оборудовании изготовлены тензорезистивные пленки для микроэлектронно-механических систем датчиков, разрабатываемых для ракетно-космической техники (РКТ). Внедрение подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на шести научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах: «Надежность и качество-2010» (Пенза, 2010), «Микротехнологии в космосе» VII научнотехническая конференция с международным участием (Москва, 2010), «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Москва, 2010), V Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2010), а также на конференциях молодых ученых и специалистов НИИФИ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 20 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, патент на полезную модель, свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ. Без соавторов опубликованы 4 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем работы изложен на 165 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 11 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования.

В приложении приведены программа для микроконтроллера и акты внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель и определены основные задачи, кратко изложена практическая и научная значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит информацию о материалах, применяемых в качестве тензочувствительных элементов, конструктивных особенностях и методах формирования топологии тензорезисторных элементов датчиков и технологическом оборудовании для нанесения покрытий в вакууме.

Конструкция тензорезисторного датчика давления в настоящее время достаточно оптимальна. Дальнейшее улучшение свойств и характеристик датчиков, повышение их надежности обеспечиваются выбором современных материалов и технологическими методами формирования их функциональных элементов.

Наиболее широко в качестве тензочувствительных резистивных элементов используются сплавы на основе никеля: медно-никелевые, хромоникелевые, никель-молибденовые и др. Разработка нового сплава для тонкопленочных тензорезисторов связана с большими финансовыми затратами и техническими трудностями и требует применения нового оборудования, что заставляет разработчиков идти по пути использования материалов и сплавов, выпускаемых промышленностью.

Основным методом формирования тензорезистивных слоев является вакуумное термическое испарение. Магнетронное распыление обеспечивает получение по сравнению с термическим испарением более равномерных по составу пленок и позволяет оперативно изменять технологические режимы.

Ожидается, что тензорезистивные пленки, полученные магнетронным распылением, будут иметь более высокую стабильность из-за более равномерного состава. Однако плазма магнетронного разряда является источником широкого спектра электромагнитных помех, что затрудняет контроль характеристик тонких пленок во время их нанесения.

Реализация технологических режимов обеспечивается системами управления оборудованием, позволяющими оперативно изменять режимы и обеспечивать адаптивное управление. Актуальной задачей является совершенствование систем управления технологическими режимами, позволяющими повысить воспроизводимость результатов технологических операций.

Вторая глава посвящена разработке автоматизированных систем управления технологическими режимами магнетронного распыления.

Реализация систем программного и адаптивного управления технологическими режимами магнетронного нанесения многокомпонентных тонких пленок возможна на основе следующих принципов:

1) использование импульсных режимов работы магнетронных распылителей (МР);

2) питание различных МР импульсами, смещенными по времени, что позволяет исключить образование связанного магнетронного разряда;

3) независимое регулирование технологических режимов распыления за счет раздельного управления питанием магнетронов;

4) проведение контроля свойств синтезируемых пленок в процессе нанесения в паузах между импульсами.

При магнетронном распылении скорость распыления можно выразить формулой где I – ток распылителя; U – напряжение разряда; К[мс–1В–1А–1] – коэффициент, зависящий от характеристик магнетронного распылителя и материала мишени:

где Na –число Авогадро; с – плотность материала мишени; Есуб – энергия сублимации материала мишени; Ма – атомная масса материала мишени;

Ми – атомная масса рабочего газа; а – безразмерный коэффициент, зависящий от отношения Ма/Ми; Sр – площадь распыления.

Для конкретного магнетронного распылителя с определенной мишенью данный коэффициент является постоянным. Значение коэффициента К определяется эмпирически в процессе экспериментальных исследований.

Управлять скоростью распыления можно, изменяя ток и напряжение магнетронного разряда. Импульсный режим питания можно реализовать при подаче на распылитель части полупериода напряжения промышленной сети переменного тока частотой 50 Гц. При этом обеспечивается плавный режим нарастания и спада тока распылителя (рис. 1).

Такой режим обеспечивает минимизацию дуговых разрядов, оптимальные условия зажигания магнетронного разряда при каждом поступающем импульсе напряжения и завершение всех процессов во время паузы между питающими импульсами. При питании МР пилообразным напряжением практически отсутствует период стационарного магнетронного разряда. Вольтамперная характеристика магнетронного разряда при импульсном питании сдвинута в сторону более высоких напряжений. Зависимость скорости распыления от мощности магнетронного разряда при импульсном питании близка к линейной, диапазон мощностей распыления расширен в сторону малых, до 10 Вт значений за счет скважности импульсов, что позволяет осуществить более точную корректировку состава двухкомпоненетных пленок. Предложена структура системы программного управления процессом магнетронного распыления при импульсном питании (рис.2).

Часть полупериода сетевого напряжения через управляемый ключ, повышающий трансформатор и выпрямитель поступает на МР. Компаратор определяет момент перехода сетевого напряжения через «0» и запускает таймер задержки отпирания. После отсчета времени задержки таймер через формирователь отпирающего импульса отпирает управляемый ключ. Изменяя время задержки отпирания управляемого ключа, регулируют напряжение, подаваемое на распылитель и, соответственно, ток МР и скорость распыления. Сила тока контролируется с помощью датчика тока, включенного в цепь распылителя. Сигнал с датчика тока поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Процессор сравнивает сигнал с АЦП с заданным и в соответствии с вычисленной разницей корректирует время задержки отпирания ключа. Ток распылителя отображается на блоке индикации. Предложенная система управления распылением позволяет получать пленки из одной мишени.

Распределение импульсов между двумя МР с различными мишенями позволяет синтезировать двухкомпонентные пленки (рис. 3). Наличие паузы между импульсами позволяет осуществлять контроль свойств синтезируемых тонких пленок в процессе их нанесения, исключив влияние электромагнитных помех от плазмы магнетронного разряда и адаптивно управлять процессом напыления. Для этого в систему управления (см. рис. 3) введен датчик, контролирующий характеристики наносимых пленок, электрические или оптические в зависимости от назначения синтезируемых пленок. Для тензорезистивных пленок удобно использовать контроль сопротивления сменного свидетеля. Сравнивая его сопротивление с заданными пороговыми значениями, управляют технологическим режимом. Общий алгоритм работы такой системы представлен на рис. 4.

Рис. 3. Система адаптивного управления режимами После задания числа и длительности этапов технологического процесса, режимов распыления для двух МР, пороговых значений сопротивления свидетеля процессор определяет время задержки отпирания ключа для каждого МР. Распределяя попарно импульсы между двумя МР и контролируя ток каждого МР, процессор корректирует время задержки отпирания раздельно для каждого МР. При переходе к следующему этапу технологического процесса процессор изменяет заданные технологические режимы и соответственно времена задержек отпирания ключа. Таким образом, возможен синтез двухкомпонентной пленки с градиентом состава. В зависимости от изменения сопротивления свидетеля (при приближении к заданному значению) система управления регулирует технологический режим, изменяет времена задержки отпирания управляемого ключа и частоту следования питающих импульсов и прекращает процесс при достижении заданного значения сопротивления.

Для обеспечения работы трех МР независимые системы управления технологическими режимами каждого МР были подключены к разным фазам промышленной питающей сети. Распределение питающих импульсов от разных каналов по времени позволило избежать проявления эффекта связанного магнетронного разряда и регулировать технологические режимы независимо в каждом канале.

Рис.4. Алгоритм работы адаптивной двухканальной системы Третья глава посвящена разработке исполнительных узлов технологического оборудования.

Опыт эксплуатации позволил выявить недостатки существующих конструкций: магнитная система расположена в водоохлаждаемой зоне, что приводит в процессе эксплуатации к ее интенсивной коррозии и снижению магнитной индукции из-за замыкания магнитного поля продуктами коррозии;

контакт мишени с охлаждающей водой при сквозном распылении приводит к аварийной ситуации – попаданию воды в вакуумную камеру; коэффициент использования материала мишени – низкий, 7,7%.

Анализ геометрических размеров подколпачного пространства установки вакуумного напыления позволил выбрать основную конструкцию магнетронного распылителя – цилиндрический магнетрон с габаритным размером Ш130 мм с монтажом на опорную плиту вне зоны расположения высоковакуумного затвора.

Основой конструкции, в которой устранены названные недостатки, (рис. 5) является медный радиатор с кольцевым водоохлаждаемым каналом, расположенным под зоной эрозии мишени. Магнитное поле создается постоянными магнитами из сплава самарий-кобальт, установленными на магнитопровод из электротехнической стали. Магнитная система и радиатор размещены в корпусе из нержавеющей стали, вокруг которого установлен экран, изолированный от катода. Магнетронный распылитель позволяет использовать мишени диаметром 120 мм. Мишень может быть припаяна к радиатору легкоплавким припоем или просто лежать на радиаторе.

Рис. 5. Конструкция магнетронного распылителя: 1 – мишень; 2 – радиатор;

3 – центральный магнит; 4 – магнитопровод; 5 – кольцевой канал охлаждения;

6 – периферийный магнит; 7 – корпус; 8 – плита установки;

9 – вакуумное уплотнение; 10 – штуцер подачи воды;

Оптимизация конструкции распылителя и магнитной системы позволила увеличить коэффициент использования мишени по сравнению с ранее использовавшимся распылителем. Ширина зоны эрозии составила 45 мм при диаметре средней линии 70 мм. При использовании мишеней диаметром мм толщиной 5 мм коэффициент использования материала составил 24, 3 % против 7,7 % у прототипа.

Проведен анализ причин неравномерности толщины наносимого покрытия. Основной причиной неравномерности является форма зоны эрозии мишени при распылении. Исходя из геометрической модели кольцевого испарителя толщина покрытия, нанесенного магнетронным способом из кольцевого источника в произвольной точке А, определяется как где R – радиус источника распыления; H – расстояние от МР до подложки;

L – расстояние от оси проходящей через центр МР до точки А; V – скорость распыления; t – время распыления. Решение интеграла в виде позволяет определить толщину в точке А. Для более удобного анализа неравномерности толщины покрытий ее удобно выразить в долях толщины в центральной точке подложки. Толщина покрытия h0 в этой точке при L = 0 равна а относительная толщина Используя выражение (3), можно определить оптимальную высоту расположения подложки над распылителем при заданных размерах подложки и допустимой неравномерности толщины покрытия.

Второй причиной неравномерности является размывание и смещение геометрического центра распределения толщины, проявляющееся при расстоянии от мишени до подложки, превышающем 60 мм, сравнимом с длиной свободного пробега атомов при рабочем давлении. Вектор смещения соответствует вектору направленного движения атомов рабочего газа в сторону откачного средства.

В установках колпакового типа, где привод вращения осуществляется через вакуумно-плотное соединение в подъемном колпаке установки, а сам вал, на котором вращается карусельный подложкодержатель, установлен на опорной плите установки, проявляется третий источник неравномерности толщины. При постоянной угловой скорости ведущего вала щ0 за счет наличия практически неустранимого эксцентриситета ведущего и ведомого валов наблюдается изменение угловой скорости карусельного подложкодержателя где R – номинальный радиус поводковой муфты; R – эксцентриситет валов ввода вращения и подложкодержателя; щ0 – номинальная угловая скорость ведущего вала Для снижения неравномерности толщины покрытий оптимизировано расстояние между мишенью и подложкодержателем, разработаны экраны специальной формы и предложен механизм компенсации неравномерности угловой скорости карусели – редуктор с передаточным отношением 2:1, при этом обеспечен разброс толщины, не превышающий 2%.

Четвертая глава посвящена исследованию тонких пленок, полученных магнетронным распылением с помощью созданных узлов и систем управления технологическими режимами. В качестве материала были выбраны пленки хром-никель. В процессе экспериментальных работ изготовлены и исследованы однокомпонентные пленки хрома и никеля, двухслойные пленки хром-никель, а также хромоникелевые пленки различного состава, полученные совместным распылением.

Пленки наносились следующим образом: вакуумная камера откачивалась до давления 2·10–5 мм рт. ст., затем в камеру напускался рабочий газ, в качестве которого использовался аргон высокой чистоты до давления 5–6·10–3 мм рт. ст. После задания режима распыления начинался процесс осаждения. В качестве подложки использовался ситалл. Подложки размещались на карусельном подложкодержателе, который вращался со скоростью 50 об/мин. Осаждение проводилось в течение 300 с. В процессе исследований были изготовлены образцы пленок различной толщины при различных режимах энергетического воздействия при распылении и времени осаждения. Исследование характеристик пленок проводилось по следующим параметрам:

электрическое сопротивление свидетеля; поверхностное электрическое сопротивление; толщина пленки; ТКС в диапазоне температур от –70°C до 100°C. Полученные результаты для пленок хрома и никеля соответствуют ожидаемым и хорошо согласуются с литературными данными. Зависимости ТКС пленок хрома и никеля представлены на рис. 6.

Рис. 6. Зависимости ТКС пленок хрома и никеля от толщины.

Пленка хрома имеет отрицательное значение ТКС, которое увеличивается с ростом толщины и размера зерна пленки, а ТКС никеля имеет положительное значение, которое уменьшается с ростом толщины и уменьшением размера зерна пленки. Замечено аномальное изменение ТКС обоих материалов в области толщин 7–20 нм, которое объясняется переходом от пленки островкового типа к сплошной пленке. В этом же диапазоне толщин пленок наблюдается существенное замедление роста электрической проводимости пленок.

На основе данных, полученных для хрома и никеля, были рассчитаны ожидаемые значения ТКС для двухслойных пленок хром-никель по формуле где RNi и RCr – эквивалентное сопротивление никеля и хрома; бCr и бNi – ТКС слоя хрома и никеля соответственно. Расчетные значения ТКС достаточно хорошо коррелированны с фактическими в диапазоне режимов нанесения, обеспечивающих получение сплошных пленок обоих компонентов. В случаях, когда в соответствии с режимами нанесения должна получаться пленка островкового типа, наблюдается существенное отклонение фактических значений ТКС от расчетных. Эти отклонения можно объяснить проявлением взаимодействия пленки хрома с пленкой никеля, которое носит характер взаимной диффузии обоих материалов. При этом формирующиеся в зоне диффузии твердые растворы никеля в хроме и хрома в никеле имеют существенные отличия, как по значению электрического сопротивления, так и по значению ТКС. При использовании материалов с близкими по значению, но различными по знаку ТКС возможно получение пленочных резисторов, ТКС которых будет близок к нулю за счет взаимной компенсации. Однако низкие значения сопротивления таких двухслойных тензорезистивных элементов не позволяют использовать их в датчиковой аппаратуре.

Метод магнетронного распыления из двух независимых источников позволяет синтезировать двухкомпонентные тонкие пленки заданного состава.

На рис. 7 представлена зависимость содержания компонентов в атомных процентах от режимов распыления для двухкомпонентной хромоникелевой пленки. Из рисунка видно, что, зависимость содержания компонентов от тока распылителей имеет вид, близкий линейному.

Предложенная технология обеспечивает получение пленок требуемого состава. Толщина пленки, полученной совместным магнетронным распылением из раздельных мишеней, меньше толщины двухслойной пленки, полученной при аналогичных режимах, так как соответствует твердому раствору хрома в никеле и никеля в хроме.

ТОК РАСПЫЛИТЕЛЯ НИКЕЛЯ, А

СОСТАВ, %

ТОК РАСПЫЛИТЕЛЯ ХРОМА, А

Анализ морфологии поверхности пленок (рис. 8), проведенный посредством атомно-силовой микроскопии, показал, что пленки с содержанием до 5 % хрома имеют структуру, характерную для никеля, с крупным размером кристаллита. При содержании хрома более 5 % размер кристаллита существенно уменьшается. Однако в пленках с содержанием хрома 25–40 % наблюдается изменение структуры формирующихся пленок с существенным увеличением размера зерна до 200 нм. При дальнейшем увеличении содержания хрома размер зерна снова уменьшается и при содержании никеля менее 10% практически полностью соответствует структуре пленок хрома.

При синтезе двухкомпонентных пленок увеличение температуры подложки способствует более равномерному смешению компонентов и увеличению их взаимной диффузии. На экспериментально полученной зависимости ТКС от состава пленки (рис. 9) видно, что наблюдается резкое снижение значений ТКС практически на порядок при увеличении содержания хрома в пленке от 0 до10 %, а при содержании хрома более 90 % ТКС приобретает отрицательное значение, характерное для хрома. Синтезированные пленки хромникель с содержанием хрома 15–50 % характеризуются значением ТКС, слабо зависящим от состава и температурного режима подложки при осаждении.

Стабильность характеристик делает эти пленки наиболее перспективными для применения в качестве резистивных и тензорезистивных элементов. Анализ представленной зависимости позволяет выбрать для получения резистивного элемента состав с требуемым значением ТКС от +0,0001 до –0,0001 К–.

Рис. 8. Морфология поверхности двухкомпонентной хромоникелевой пленки при содержании хрома:

Тем не менее получение резистивных элементов с ТКС, близким к нулю, достаточно затруднительно, так как в области перехода через 0 зависимость ТКС от состава резко изменяет свои значения. Использование резистивных элементов с градиентом состава по толщине дает возможность получения желаемого результата. На основании сделанного предположения был изготовлен резистивный элемент, 70% толщины которого имело состав с % хрома, а 30 % толщины – 60% хрома. Изменение состава обеспечивалось программным регулированием скорости распыления хромовой мишени. Полученные резистивные элементы имели значение ТКС 1,3·10–5 К–1 при сопротивлении 657–693 Ом. Коэффициент тензочувствительности таких элементов составляет от 2,2 до 2,4, в то время как для резистивного элемента, полученного из сплава Х20Н75Ю методом термического резистивного испарения, составляет от 1,9 до 2,1.

В пятой главе приведены технические характеристики разработанного технологического оборудования и перспективы метода многомагнетронного распыления.

Предложенные схемы построения систем управления и базовых узлов позволили создать оборудование, в настоящее время эксплуатирующееся в опытном производстве ОАО «НИИФИ». Представлены варианты компоновки внутрикамерного устройства установки с двумя и тремя магнетронными распылителями и двухканальная система управления технологическими режимами.

ТКС, 1/ К Использование предложенной технологии получения тонкопленочных структур путем совместного магнетронного распыления различных компонентов позволяет достаточно оперативно проводить анализ свойств перспективных соединений, минуя стадию получения и исследования свойств специального сплава. При этом в качестве мишеней могут применяться как чистые материалы, так и сплавы с известными характеристиками. Одним из перспективных материалов для получения тензорезистивных элементов может стать пленка никель-титан, синтезированный экспериментальный образец которой при равном содержании компонентов имел значение ТКС 5·10–5 К–1. Другим перспективным материалом является поликристаллический кремний, легированный алюминием, экспериментальные образцы которого были изготовлены на разработанном оборудовании.

Расширить возможности синтеза пленок заданного состава позволит использование оборудования с тремя системами магнетронного распыления, которое позволит получать трехкомпонентные пленки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ методов и средств изготовления тонких пленок показал перспективность магнетронного распыления при синтезе многокомпонентных тензорезистивных пленок.

2. Разработаны системы программного и адаптивного управления режимами импульсного магнетронного нанесения тонкопленочных покрытий, которые позволили оперативно изменять технологические режимы, расширить диапазон мощностей распыления в сторону малых значений до 10 Вт и повысить воспроизводимость характеристик наносимых пленок.

3. Разработан и внедрен в производство магнетронный распылитель, в котором устранены снижение магнитной индукции при длительной эксплуатации, возможность аварийного прорыва воды в вакуумную камеру, и повышен коэффициент полезного использования мишени с 7 до 24 %. С использованием магнетронного распылителя разработаны конструкции внутрикамерных устройств технологического оборудования для нанесения пленок в вакууме. Предложены способы снижения неравномерности толщины покрытий до 2 %.

4. Проведено исследование энергетических характеристик системы импульсного магнетронного распыления и контроля роста тонкой пленки при синтезе из раздельных мишеней.

5. Разработаны и внедрены в производство технологические режимы магнетронного нанесения тонких пленок. Разработана технология синтеза двухкомпонентных тонких пленок с заданным содержанием компонентов.

6. Синтезированы двухкомпонентные хромоникелевые пленки. Исследованы их состав и характеристики. Сформулированы рекомендации по получению тензорезистивных пленок с низким ТКС до 1,3·10–5 К–1, а также пленок с заданным градиентом состава.

7. Внедрена в производство программа управления технологическими режимами импульсного магнетронного распыления.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России 1. Тимаков, С. В. Анализ толщины и способы повышения равномерности покрытий / С. В. Тимаков, Б. В. Цыпин, Д. И. Нефедьев // Новые Промышленные технологии. – 2010. – № 2. – С. 43–48.

2. Тимаков, С. В. Новая технология получения тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов датчиков давления / С. В. Тимаков, И. В. Волохов // Измерительная техника. – 2011. – № 3. – С. 4–6.

3. Тимаков, С. В. Экспериментальное исследование характеристик магнетронного распылителя / С. В. Тимаков // Информационно-измерительная техника : тр. ун-та. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. – Вып. 32. – С. 132–136.

5. Тимаков, С. В. Исследование равномерности толщины покрытий / С. В. Тимаков, Б. В. Цыпин, Ю. В. Бывшев // Информационно-измерительная техника : тр. ун-та. – Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – Вып. 34. – С. 175–185.

6. Тимаков, С. В. Контроль техпроцессов вакуумного нанесения покрытий с использованием датчиков тока / С. В. Тимаков // Информационноизмерительная техника : тр. ун-та. – Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010. – Вып. 35. – С. 127–131.

7. Тимаков, С. В. Особенности изучения технологии магнетронного нанесения тонких пленок / С. В. Тимаков, Б. В. Цыпин // Университетское образование : тр. XIV Междунар. конф. – Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010. – С. 700–702.

8. Тимаков С. В. Импульсный источник питания для магнетронного распылителя / С. В. Тимаков // Надежность и качество : тр. междунар. симп. :

в 2 т. – Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2010. – Т. 2. – С. 192–194.

9. Тимаков, С. В. Работа магнетронного распылителя при питании импульсным напряжением / С. В. Тимаков // Надежность и качество : тр. междунар. симп. : в 2 т. – Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2010. – Т. 2. – С. 194–197.

10. Тимаков, С. В. Новая технология получения тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов датчиков давления для изделий РКТ / С. В. Тимаков, И. В. Волохов // Микротехнологии в космосе : тез. докл.

VIII науч.-техн. конф. с междунар. участием. – М., 2010. – С. 39–40.

11. АС СССР на изобретение № 1584434. Испаритель / Тимаков С. В., Сивохин Б. А., Михайлов В. И., Раков Б. М. Заявка № 4110901, приоритет от 1.09.1986. Зарегистрировано 15.06.1988.

12. Пат. № 95179 на полезную модель U1 Российская Федерация, МПК H01J25/00, C23C 14/00, H02B 99/00/. Источник питания магнетронного распылителя / Тимаков С. В., Мокров Е. А., Ворожбитов А. И., Цыпин Б. В.

Заявка 2010103312/22, приоритет от 1.02.2010; опубл.10.06.2010. Бюл. № 16.

13. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2010614404. Программа управления током магнетронного распылителя / С. В. Тимаков, А. Г. Дмитриенко // Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 7.07.2010.

14. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2010614403. Программа управления током резистивного испарителя / С. В. Тимаков, А. Г. Дмитриенко // Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 7.07.2010.

15. Тимаков, С. В. Модернизация вакуумного технологического оборудования / А. В. Блинов, С. В. Тимаков, И. Н. Чебурахин // Информационноизмерительная техника : тр. ун-та. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – Вып. 36. – С. 183–186.

16. Тимаков, С. В. Формирование хромоникелевых гетероструктур с заданным составом и свойствами / И. А. Аверин, Р. М. Печерская, С. В. Тимаков // Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем : сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. – Пенза, 2010. – С. 261–263.

17. Тимаков, С. В. Блок автоматического управления напряжением испарителя / С. В. Тимаков, Ю. В. Бывшев // Датчики и системы : сб. докл.

ХХV науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : НИИФИ, 2006. – С. 83–85.

18. Тимаков С. В. Выбор конструктивно-технических решений при модернизации технологического оборудования / С. В. Тимаков, Д. И. Волков // Датчики и системы : сб. докл. XXIX науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : НИИФИ, 2009. – С. 88–91.

19. Тимаков, С. В. Источник питания для магнетронного распылителя / С. В. Тимаков, Е. А. Северин // Датчики и системы : сб. докл. XXX науч.техн. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : НИИФИ, 2010. – С. 144–146.

20. Тимаков С. В. Магнетронный распылитель / С. В. Тимаков, А. В. Хошев // Датчики и системы : сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : НИИФИ, 2010. – С. 148–153.

ТИМАКОВ Сергей Владимирович

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

РЕЖИМАМИ МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ

ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ПЛЕНОК

Специальности: 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроения);

05.11.14 – Технология приборостроения Подписано в печать 18.04.2011. Формат 60Ч841/16.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@mail.pnzgu.ru

 
Похожие работы:

«Сафатов Александр Сергеевич Разработка методического и технического обеспечения регионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Барнаул, 2011 2 Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении науки Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии Вектор Федеральной службы по надзору в...»

«Косинский Дмитрий Владимирович ПОСТРОЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ НА ПРИНЦИПАХ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ С ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва — 2011 Работа выполнена на кафедре измерительных информационных систем и технологий...»

«Морозов Роман Андреевич РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ БИОНАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2013 1 Диссертационная работа выполнена в Национальном исследовательском университете МИЭТ (НИУ МИЭТ), в Научно-образовательном центре Зондовая микроскопия и нанотехнология Научный...»

«Рыбин Юрий Константинович АНАЛОГОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ Специальность 05.11.01 – Приборы и методы измерения (измерение электрических и магнитных величин) – (технические наук и) Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический...»

«Чистяков Валерий Валентинович АРХИТЕКТУРА ПРИЕМНИКА СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И МЕТОДЫ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Специальность: 05.11.03 – Приборы навигации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ...»

«Фесько Юрий Александрович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2014 2 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирская государственная геодезическая академия. Научный руководитель –...»

«Салагаева Анжелика Валериевна ИССЛЕДОВАНИЕ НУКЛОННОГО КОМПОНЕНТА ВТОРИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ КАК ИСТОЧНИКА РАДИАЦИОННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЕРХНЕЙ И НИЖНЕЙ ТРОПОСФЕРЫ 05.11.13 – приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Красноярск 2011 2 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Красноярском научном центре Сибирского Отделения РАН Научный руководитель доктор...»

«ДОГАДИН Семен Евгеньевич МЕТОДИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ ГРУНТА ПРИ СКАЧКООБРАЗНЫХ ИСКАЖЕНИЯХ ДАННЫХ МАЛОГЛУБИННОГО ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЯ 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ижевск – 2013 2 Работа выполнена на кафедре Вычислительная техника ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени...»

«Бессонов Виктор Борисович МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТРАОРАЛЬНЫХ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Специальность 05.11.17 Приборы, системы и изделия медицинского назначения Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2014 Работа выполнена на кафедре электронных приборов и устройств Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.