Помощь студентам в учебе
Теоретическое и экспериментальное исследование магнитной подсистемы планарного магнетрона
|
Введение 12
1 Литературный обзор 15
1.1 Магнетронные распылительные системы 15
1.2 Магнитное поле 17
1.3 Метод конечных элементов 22
1.3 Пакеты 27
2 Модель магнитного поля планарного магнетрона 30
2.1 Проверка математической модели магнитного поля 30
2.1.1 Математическая модель кольца с током 30
2.1.2 Математическая модель соленоида конечной длины 32
2.1.3 Математическая модель соленоида с сердечником 34
2.2 Создание модели магнитного поля планарного магнетрона 35
2.3 Модель симметричного магнетрона 40
2.4 Модель “кусочного” магнетрона 42
3 Результаты исследований и анализ 47
3.1 Экспериментальная часть 47
3.1.1 Симметричный магнетрон 48
3.2 Результаты моделирования в Wolfram Mathematica и Elcut 52
3.3 Сравнение экспериментальных данных и численных решений для
магнитных полей магнетронов 52
3.3.1 Сравнение для симметричного магнетрона 52
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 60
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 61
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 61
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений 63
4.1.3 Технология QuaD 65
4.1.4 SWOT-анализ 68
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 71
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 71
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ 73
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования 73
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 78
4.3.1 Расчет материальных затрат НТИ 78
4.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 78
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 80
4.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 82
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 82
4.3.6 Накладные расходы 82
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта . . 83
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 84
5 Социальная ответственность 89
5.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов 89
5.1.1 Микроклимат 91
5.1.2 Повышенный уровень шума 94
5.1.3 Физические и нервно-психологические перегрузки 94
5.1.4 Электромагнитное излучение 97
5.1.5 Освещенность 98
5.1.6 Электробезопасность 100
5.1.7 Пожаровзрывобезопасность 100
5.2 Анализ вероятных чрезвычайных ситуаций (ЧС) 101
Заключение 105
Список используемой литературы 107
1 Литературный обзор 15
1.1 Магнетронные распылительные системы 15
1.2 Магнитное поле 17
1.3 Метод конечных элементов 22
1.3 Пакеты 27
2 Модель магнитного поля планарного магнетрона 30
2.1 Проверка математической модели магнитного поля 30
2.1.1 Математическая модель кольца с током 30
2.1.2 Математическая модель соленоида конечной длины 32
2.1.3 Математическая модель соленоида с сердечником 34
2.2 Создание модели магнитного поля планарного магнетрона 35
2.3 Модель симметричного магнетрона 40
2.4 Модель “кусочного” магнетрона 42
3 Результаты исследований и анализ 47
3.1 Экспериментальная часть 47
3.1.1 Симметричный магнетрон 48
3.2 Результаты моделирования в Wolfram Mathematica и Elcut 52
3.3 Сравнение экспериментальных данных и численных решений для
магнитных полей магнетронов 52
3.3.1 Сравнение для симметричного магнетрона 52
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 60
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 61
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 61
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений 63
4.1.3 Технология QuaD 65
4.1.4 SWOT-анализ 68
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 71
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 71
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ 73
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования 73
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 78
4.3.1 Расчет материальных затрат НТИ 78
4.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 78
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 80
4.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 82
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 82
4.3.6 Накладные расходы 82
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта . . 83
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 84
5 Социальная ответственность 89
5.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов 89
5.1.1 Микроклимат 91
5.1.2 Повышенный уровень шума 94
5.1.3 Физические и нервно-психологические перегрузки 94
5.1.4 Электромагнитное излучение 97
5.1.5 Освещенность 98
5.1.6 Электробезопасность 100
5.1.7 Пожаровзрывобезопасность 100
5.2 Анализ вероятных чрезвычайных ситуаций (ЧС) 101
Заключение 105
Список используемой литературы 107
В настоящее время один из способов изменения функциональных свойства материалов - это нанесение тонкопленочных покрытий. Данная технология очень востребована во многих отраслях: оптика, электроника, машиностроение, ядерные технологии и т.д.
Для нанесения тонкопленочных покрытий существует множество методов, основанных на различных физических процессах, а также в разных средах. Выбор того или иного метода осаждения обусловлен необходимыми параметрами покрытий, а также скоростью нанесения модифицирующих покрытий. Среди разных способов наибольшее распространение получило магнетронное осаждение, в основе которого лежит использование тлеющего разряда в постоянном магнитном поле. Один из наиболее важных элементов данного метода, это магнитная система. Она позволяет локализовать плазму у поверхности распыляемого материала (мишени) и тем самым увеличивает скорость ионного распыления, а также снижает рабочее давление газового разряда. На сегодняшний день уже разработаны и успешно внедрены в промышленность технологии формирования покрытий с помощью плазмы магнетронных распылительных систем (МРС).
Несмотря на все положительные стороны данного метода, имеются ряд сложностей в его использовании и оптимизации. Одной из них является проблема прогнозирования полученных результатов: для оценки полученных результатов необходимо проведение эксперимента на установке, который, в свою очередь, требует времени и ресурсов. Для получения и исследования требуемых свойств материалов используется множество параметров работы установки: давление, напряженности электрического и магнитного полей, мощность источника питания катода и т.д. Помимо этого, изменяются параметры осаждения: материалы образцов и осаждаемых покрытий, толщина покрытий, морфология, газовая среда и т.д.
Одна из составляющих системы, которая изменяется не так часто после конструирования МРС, это магнитное поле. В связи с этим, необходимо подобрать оптимальные параметры магнитной системы для эффективной эксплуатации. Значимым параметром МРС является максимальное значение составляющей магнитного поля Br, параллельной поверхности мишени (катода).
Расчет аналитическими методами поведение магнитного поля в МРС затруднителен, ввиду наличия материалов с нелинейными магнитными характеристиками. Для решения данной проблемы используются численное моделирование системы.
Моделирование может позволить сократить не только количество экспериментов на установке, но и ускорить поиск оптимальных параметров работы системы. Помимо этого, оно может помочь в масштабировании МРС для промышленных предприятий. Кроме того, основываясь на созданной модели можно будет конструировать новые магнетронные системы с оптимальными магнитными характеристиками.
Объект: магнитное поле магнетрона.
Предмет: численные методы описания магнитного поля.
Проблема: большая длительность эксперимента; высокая дороговизна и отсутствие доступа к используемому математическому представлению решений дифференциальных уравнений, а также к допущениям в готовых пакетах .
Цель работы: создание и проверка физико-математической модели для описания поведения магнитного поля магнитной подсистемы планарного магнетрона.
Задачи работы:
• Выбор и изучение пакетов моделирования магнитного поля;
• Проверка математической модели магнитного поля в цилиндрической системе координат на ряде физических задач, имеющих известные аналитические решения;
• Создание математической модели магнитного поля магнетронов;
• Сравнение численных решений с готовым пакетом Elcut ;
Для нанесения тонкопленочных покрытий существует множество методов, основанных на различных физических процессах, а также в разных средах. Выбор того или иного метода осаждения обусловлен необходимыми параметрами покрытий, а также скоростью нанесения модифицирующих покрытий. Среди разных способов наибольшее распространение получило магнетронное осаждение, в основе которого лежит использование тлеющего разряда в постоянном магнитном поле. Один из наиболее важных элементов данного метода, это магнитная система. Она позволяет локализовать плазму у поверхности распыляемого материала (мишени) и тем самым увеличивает скорость ионного распыления, а также снижает рабочее давление газового разряда. На сегодняшний день уже разработаны и успешно внедрены в промышленность технологии формирования покрытий с помощью плазмы магнетронных распылительных систем (МРС).
Несмотря на все положительные стороны данного метода, имеются ряд сложностей в его использовании и оптимизации. Одной из них является проблема прогнозирования полученных результатов: для оценки полученных результатов необходимо проведение эксперимента на установке, который, в свою очередь, требует времени и ресурсов. Для получения и исследования требуемых свойств материалов используется множество параметров работы установки: давление, напряженности электрического и магнитного полей, мощность источника питания катода и т.д. Помимо этого, изменяются параметры осаждения: материалы образцов и осаждаемых покрытий, толщина покрытий, морфология, газовая среда и т.д.
Одна из составляющих системы, которая изменяется не так часто после конструирования МРС, это магнитное поле. В связи с этим, необходимо подобрать оптимальные параметры магнитной системы для эффективной эксплуатации. Значимым параметром МРС является максимальное значение составляющей магнитного поля Br, параллельной поверхности мишени (катода).
Расчет аналитическими методами поведение магнитного поля в МРС затруднителен, ввиду наличия материалов с нелинейными магнитными характеристиками. Для решения данной проблемы используются численное моделирование системы.
Моделирование может позволить сократить не только количество экспериментов на установке, но и ускорить поиск оптимальных параметров работы системы. Помимо этого, оно может помочь в масштабировании МРС для промышленных предприятий. Кроме того, основываясь на созданной модели можно будет конструировать новые магнетронные системы с оптимальными магнитными характеристиками.
Объект: магнитное поле магнетрона.
Предмет: численные методы описания магнитного поля.
Проблема: большая длительность эксперимента; высокая дороговизна и отсутствие доступа к используемому математическому представлению решений дифференциальных уравнений, а также к допущениям в готовых пакетах .
Цель работы: создание и проверка физико-математической модели для описания поведения магнитного поля магнитной подсистемы планарного магнетрона.
Задачи работы:
• Выбор и изучение пакетов моделирования магнитного поля;
• Проверка математической модели магнитного поля в цилиндрической системе координат на ряде физических задач, имеющих известные аналитические решения;
• Создание математической модели магнитного поля магнетронов;
• Сравнение численных решений с готовым пакетом Elcut ;
В рамках данной работы был разработан расчетный модуль в Wolfram Mathematica для моделирования магнитного поля системы с материалами, имеющими нелинейные магнитные характеристики. В связи с тем, что используемая программа не обладает готовым интерфейсом для моделирования физических явлений необходимо проверить используемую математическую модели и допущения. Модуль был верифицирован на физических задачах, имеющих известное аналитическое решение. Во всех случаях полученные зависимости имеют отличное согласие с теоретическими выражениями в пределах используемых допущений.
Вместе с тем, была проведена оценка адекватности модели - выполнение эксперимента по измерению магнитного поля. В качестве объектов исследования были выбраны два типа магнетронов: симметричный и кусочный.
Экспериментальные данные имеют хорошее согласие с численными решениями.
Помимо этого, для проверки используемой математической модели и допущений было проведено в готовом пакете Elcut. Результаты численного моделирование в разных пакетах оказались во многом схожи между собой при учете, что количество элементов сетки и её построения отличаются. Также отличия могли были быть обусловлены методом аппроксимации магнитной проницаемости магнитомягких материалов (электротехническая сталь), но подтвердить это или опровергнуть невозможно, так как у пользователя нету доступа к методу реализации данной операции.
Кроме того, при численном моделировании магнитного поля были получены следующие результаты:
1. Для получения численных значений магнитной индукции близких к действительным необходимо, чтобы исследуемая область была много больше размеров объекта моделирования. Иначе это приведет к завышению величины магнитного поля системы;
2. Была разработана методика расчета магнитной системы, выполненной из отдельных магнитов;
3. Было дано качественное объяснение асимметричности экспериментальных данных для симметричного магнетрона с помощью численного моделирования.
Созданный модуль пригоден для моделирование не только магнитного поля, но и для всех физических явления, которые описываются уравнениями Пуассона или Лапласа. В дальнейшем планируется его использовать для моделирования тлеющего разряда в скрещенных магнитном и электрическом полей.
Вместе с тем, была проведена оценка адекватности модели - выполнение эксперимента по измерению магнитного поля. В качестве объектов исследования были выбраны два типа магнетронов: симметричный и кусочный.
Экспериментальные данные имеют хорошее согласие с численными решениями.
Помимо этого, для проверки используемой математической модели и допущений было проведено в готовом пакете Elcut. Результаты численного моделирование в разных пакетах оказались во многом схожи между собой при учете, что количество элементов сетки и её построения отличаются. Также отличия могли были быть обусловлены методом аппроксимации магнитной проницаемости магнитомягких материалов (электротехническая сталь), но подтвердить это или опровергнуть невозможно, так как у пользователя нету доступа к методу реализации данной операции.
Кроме того, при численном моделировании магнитного поля были получены следующие результаты:
1. Для получения численных значений магнитной индукции близких к действительным необходимо, чтобы исследуемая область была много больше размеров объекта моделирования. Иначе это приведет к завышению величины магнитного поля системы;
2. Была разработана методика расчета магнитной системы, выполненной из отдельных магнитов;
3. Было дано качественное объяснение асимметричности экспериментальных данных для симметричного магнетрона с помощью численного моделирования.
Созданный модуль пригоден для моделирование не только магнитного поля, но и для всех физических явления, которые описываются уравнениями Пуассона или Лапласа. В дальнейшем планируется его использовать для моделирования тлеющего разряда в скрещенных магнитном и электрическом полей.