Введение к работе
з
Актуальность темы. Продолжающееся в настоящее время совершенствование средств и методов контроля скорости осаждения и толщины покрытий, наносимых в вакууме методом электронно-лучевого испарения, объясняется тем, что ученые обнаруживают новые полезные свойства тонких многокомпонентных пленок в диапазоне толщин порядка 10 - 100 нм, а сам метод электронно-лучевого нанесения позволяет получать чистые пленки и отличается прецизионностью и практически неограниченными возможностями управления структурой и свойствами покрытий. Для нанесения тонких покрытий и слоев на современном этапе используются скорости осаждения порядка 1-10 нм/с, а количество одновременно контролируемых при этом компонент в среднем составляет 4. Так, например, в микроэлектронике существует потребность качественного получения солнечных элементов на основе структур CIGS (CuInGaSe) толщиной 1,5-2 мкм, обладающих эффективностью фотопреобразования 19%, тонких пленок состава Ві2Тез, St^Tes, используемых при производстве элементов Пельтье. Одновременное осаждение компонентов в одном технологическом цикле позволяет производить получение покрытий без разгерметизации вакуумных камер. При этом возникает потребность одновременного контроля скорости осаждения отдельных компонентов паровой фазы.
В процессах электронно-лучевого нанесения многокомпонентных корро-зионностойких покрытий на лопатки газотурбинных установок (ГТУ) из жаростойких сплавов состава MCrAlY (М = Ni, Со, Fe) наблюдается значительное влияние малых долей элементов, добавляемых в паровую фазу, (например, Сг, Y 0,1-3 %) на такие параметры покрытия, как микротвердость, предел упругости, что также создает необходимость контроля состава паровой фазы и посторонних примесей.
Применяемые в отечественном производстве кварцево-резонаторный, ионизационный и вибрационный датчики не позволяют измерять скорость осаждения покрытия по компонентам. Существующие зарубежные электронно-эмиссионные датчики дают возможность измерять скорости осаждения отдельных компонент, однако слабый эмиссионный сигнал данных датчиков не позволяет применять современные системы регистрации спектров на приборах с зарядовой связью и получать произвольный диапазон спектра. Каждый канал измерения эмиссионного излучения данных датчиков содержит фотоэлектронный умножитель и систему полосовых фильтров. Добавление каждого нового канала требует усложнения системы измерения, что ограничивает возможность контроля посторонних элементов, присутствие которых в технологическом процессе не было предусмотрено заранее. В свою очередь, сам электронно-
эмиссионный датчик имеет значительный потенциал для усовершенствования и использования его вместе с современными системами регистрации спектров.
Объектом исследования настоящей диссертационной работы является электронно-эмиссионный датчик скорости осаждения и состава покрытий, а также средства построения систем автоматического управления скоростью осаждения материалов в технологическом процессе электронно-лучевого нанесения.
Цель диссертационной работы - совершенствование электронно-эмиссионного способа контроля скорости осаждения покрытий, наносимых из паровой фазы при электронно-лучевом испарении, путем применения магнетронного эффекта в электронно-эмиссионном датчике и использования прибора с зарядовой связью в качестве многоканального элемента регистрации спектров.
При выполнении работы использованы следующие методы исследования и теории: экспериментальная идентификация; численное дифференцирование; регрессионный анализ; статистический анализ; математическое моделирование; теория магнетронного разряда; теория систем автоматического управления; теория термического вакуумного испарения.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- предложен способ повышения чувствительности электронно-
эмиссионного датчика скорости осаждения веществ, наносимых электронно
лучевым испарением, заключающийся в применении магнетронного эффекта и
отличающийся введением магнитного поля с определенным оптимальным зна
чением индукции;
- получена теоретическая зависимость чувствительности электронно-
эмиссионного датчика G от индукции В магнитного поля;
разработана компьютерная модель системы управления процессом электронно-лучевого испарения веществ в вакууме с использованием электронно-эмиссионного датчика;
предложен способ адаптивного регулирования скорости осаждения при электронно-лучевом нанесении.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждена согласованностью полученных данных теоретических расчетов и данных экспериментальных исследований электронно-эмиссионного датчика и системы автоматического регулирования скорости осаждения веществ.
Практическая ценность работы:
Разработан электронно-эмиссионный датчик, использующий магнетрон-ный эффект в своей работе и взаимодействующий с системой регистрации спектров на основе матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС).
Создана компьютерная модель процесса электронно-лучевого осаждения веществ с применением электронно-эмиссионного датчика, позволяющая подобрать оптимальный закон регулирования скорости осаждения на основе типа вещества.
Построена система многокомпонентного контроля скорости осаждения веществ, включающая электронно-эмиссионный датчик, систему регистрации спектров на основе ПЗС, персональный компьютер и устройство сопряжения на основе микроконтроллера. С помощью созданной системы удалось осуществить контроль состава и наблюдение за посторонними примесями при осаждении эластичных электропроводящих тензочувствительных пленок, применяемых при производстве микроджойстиков в ООО «НТЦ «Интрофизика».
Апробация. Материалы диссертационной работы прошли апробацию на конференциях и семинарах: «Высокие технологии в промышленности России» (Москва: 2008, 2009, 2010, 2011 гг.); «Климовские чтения» (С.-Петербург, 2009 г.); «52-я научная конференция Московского физико-технического института» (Москва, 2009 г.); «I научно-техническая школа-семинар «Компьютерный инжиниринг в промышленности и вузах» (Москва, 2009 г.); «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2010 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из которых 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 7 статей и 1 тезис доклада в сборниках статей. Получены два патента на изобретения в области контроля скорости осаждения веществ.
На защиту выносятся:
электронно-эмиссионной датчик скорости осаждения веществ и его математическое описание;
модель системы регулирования скорости осаждения веществ на основе электронно-эмиссионного датчика;
адаптивный способ регулирования скорости осаждения при электроннолучевом нанесении.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 173 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 85 рисунков, список источников из 92 наименований.
