Моделирование теплового состояния элементов конструкции магнетронной распылительной системы на электромагнитах при определенной конфигурации магнитных силовых линий

Рассмотрена методика моделирования теплового состояния магнетронной распылительной системы на электромагнитах.

Ключевые слова: МРС, выработка катода, тепловой поток, магнитная индукция.

Магнетронная распылительная система (МРС) на электромагнитах позволяет, изменяя соотношения токов в катушках добиться определенной конфигурации магнитно-силовых линий, что в свою очередь определяет зону распыления катода

Изменяющаяся по радиусу катода плотность теплового потока приводит к неравномерному нагреву и проблемам при охлаждении в области максимальной плотности теплового потока. Наиболее теплонапряженными элементами конструкции являются: катод, прижимное кольцо катода и корпус МРС. [1]

Целью работы является моделирование теплового состояния конструкции с определением параметров качественного режима охлаждения магнетронной распылительной системы на электромагнитах.

Распределение магнитной индукции над поверхность катода имеет не равномерный вид и влияет на ионизационные процессы над поверхностью катода, а точнее под аркой магнитных линий, которые в свою очередь определяют выработку катода в определенном месте. Исследования выработки материала проведенные на отработанном катоде приведены ниже.

Рис. 1. Результаты измерения выработки катода. [4]

Определено, что увеличение выработаного материала а значит и прикладываемая мощность изменяется по экспотенциальному закому. [4]

r — радиус катода,

r₀ — смещение максимума выработки относительно центра катода,

k — полуширина выработки на глубине hmax/e.

Моделируемый режим для катода возьмем из [1], ВАХ № 2, с магнитной индукцией на поверхности 0,05 Тл и мощностью источника питания 1750 Вт (в дальнейшем с поправочным коэффициентом 0,8)

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика разряда МРС, катод — медь, диаметр катода 115 мм, давление р = 0,1 Па, индукция: 1–0,025 Тл, 2–0,05 Тл, 3–0,08 Тл.

Для нахождения параметров электромагнитных катушек воспользуемся методами конечных элементов. В работе [3] проведено исследование конфигураций магнитопровода в компьютерной среде InfoliticaMagNet по методу коннечных элементов (рис3б). Выялено, что машинный расчет дает завышенный но приемлемый для дальнейших расчетов показатель магнитной индукции.

Рис. 3. а) Распределение магнитной индукции на удаленной от поверхности магнетрона области, б) Зависимость магнитной индукции от удаления от центра при определенном удалении от плоскости катода

Моделирование распределения магнитных силовых линий производили в среде Femm для нахождения пика магнитной индукции на поверхности катода в 0.05 Тл. В данной программе выполнили расчет магнитной индукции, варьируя параметры катушки. Данная программа расчет ведет по методу конечных элементов. После схематичного отображения магнитопровода (рис. 4а), были заданы парраметры конечных элелементов в каждой части магнитной системы и за её пределами, на основании заданных параметров была построена расчётная сетка конечных элементов (рис. 4а). Далее был произведен расчет (рис. 4б). Распределение магнитной индукции по поверхности катода показано на рисунке 5.

в)

Рис. 4. Построение осесимметричной системы магнитопровода МРС, а) сетка конечных элементов, б) конфигурация магнитосиловых линий, в) распределение магнитной индукции от оси симметрии по поверхности катода.

Таким образом пик теплового потока будет приходиться на окружность с радиусом 27 мм. В процессе моделирования распределения магнитных линий, были подобраны токи в основной и компенсационной катушках, 6 и 4 А соответственно. Для определения тепловыделения катушками индуктивности, допустим что катушки намотаны медным проводом диаметром 1 мм. Тогда выделяемая тепловая мощность катушками составит 130 и 80 Вт.

Ниже прдставлена трехмерная модель нарисованная в Solidworks. Для быстроты проведения расчета, конструкция была упрощена. Были удалены некоторые детали, не влияющие на расчет (рис 5б). Исследование теплового состояния элементов конструкции вакуумного дугового испарителя произведены в [2], установлено, что данный метод выявляет недостатки в системе охлаждения.

Рис. 5. а) трехмерная модель внешнего вида магнитронно распылительной системы, б) упрощенная модель МРС в разрезе

Расчет проводился при следующих входных параметрах и граничных условиях:

Тепловая мощность, приходящая на поверхность катода: 1400 Вт;

Тепловая мощность, выделяемая катушками: 130 и 80 Вт;

Массовый расход воды на входе в проточную область: 50–100 г/с;

Давление при выходе из проточной области: 1 атм;

Начальная температура конструкции: 20 °С;

Материал конструкции: сталь марки 12Х18Н10Т — корпус и магнитопровод, Медь — катод и катушки.

Расчет проводился 5 раз для определения зависимости температуры воды у внутренней поверхности катода и на выходе из проточной области от массового расхода воды для охлаждения МРС. В результате были построены температурные поля. Особенностью данной среды моделирования тепловых состояний, является то, расчет ведется от начального возмущенного до установившегося состояний с заданными граничными условиями. Установившемся стационарным режимом является тот при котором заданные параметры не отклоняются не более чем в 1 % от средней величины.

Рис. 6. Поля температур элементов конструкции МРС и воды

Рис. 7. Установившийся температурный режим на выходе из проточной области, для массового расхода воды 100 г/с

Рис. 8. График зависимости температуры воды от массового расхода: а) круг — средняя температура воды на выходе из проточной области МРС, б) квадрат — средняя температура воды у внутренней поверхности катода

В данной работе был произведен расчет распределения магнитных силовых линий и теплового состояний конструкций МРС. Расчет производился в среде femmи в компоненте flowsimulationпрограммной среды проектирования методом конечных элементов Solodworks. Для задания граничных условий были взяты параметры реального режима и смоделировано распределение теплового потока по поверхности катода. В результате 5-ти расчетов были получены температурные поля и графики зависимости температур от массового расхода воды. Смоделированное распределение магнитных силовых линий и режим охлаждения при массовом расходе воды 50 г/с определяет температуру внутренней стенки (омываемой водой) катода, которая составляет 40 °С, что позволяет работать МРС в установившемся режиме. Данная методика может быть полезна в моделировании МРС на электромагнитах, при различных конфигурациях магнитных полей.

Литература:

1. Д. В. Духопельников. Магнетронные распылительные системы. МГТУ им. Н. Э. Баумана.Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 2014.
2. Ван Гуоянь. Тепловое состояние элементов конструкции вакуумного дугового испарителя. Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н. Э. Баумана 2015.
3. Клюева В. А. Сравнение распределений магнитного поля в магнетронных распылительных системах, полученных различными методами расчета. Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н. Э. Баумана 2015.
4. Поздняков В. Г. Исследование профиля выработки плоского дискового катода магнетронной распылительной системы. Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н. Э. Баумана 2016.