Усовершенствование технологии получения тонких магнитных пленок с высокой коэрцитивной силой методом термообработки

Усовершенствование технологии получения тонких магнитных пленок с высокой коэрцитивной силой методом термообработки

Аннотация

В работе описывается технология получения тонких магнитных пленок с высокой коэрцитивной силой методом термообработки. Тонкие магнитные пленки, созданные на основе составов реализующих высокую индукцию насыщения и высокую коэрцитивную силу могут использоваться в микросхемах, выполняющих функции датчиков величины тока и в приборах микро- и наносистемотехники (микроэлектродвигателях).

Содержание

Введение

Глава 1 Литературный обзор

. Петля гистерезиса

. Кривая намагничивания

. Домены

. Температура Кюри

. Коэрцитивная сила

. Основные характеристики магнитных материалов

. Классификация магнитных материалов

. Магниторезисторы

. Свойства сплавов постоянных магнитов на основе Fe-Cr-Co

Глава 2. Экспериментальная часть.

. Подготовка к напылению

. Напыление сплава Fe-Cr-Co

. Термообработка тонких пленок в вакууме

. Результаты процессов термообработки

. Термообработка по патенту

Глава 3. Охрана труда и экология.

. Характеристика опасностей

. Расчет защит. заземления для установки вакуумного напыления

. Защита окружающей среды от воздействующих факторов

Глава 4. Экономический расчет

. Технический анализ объекта проектирования

. Экономический анализ

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В работе описывается усовершенствование технологии получения тонких магнитных пленок с высокой коэрцитивной силой методом термообработки.

Цель данной работы - получить тонкие магнитные пленки с высокой коэрцитивной силой.

По ходу работы были поставлены следующие задачи:

.Окисление кремниевой подложки с целью создания слоя окисла кремния на поверхности кремниевой подложки.

.Напыление на структуру: оксид кремния - кремниевая подложка сплава состава Fe-Cr-Co с добавками переходных d-металлов (далее обозначается как магнитная пленка).

.Собрать установку для термообработки тонких магнитных пленок.

.Опытным путем найти нижнюю и верхнюю температурные границы фазовых переходов в магнитной пленке.

.Решить проблему с адгезией тонкой магнитной пленки на структуре оксид кремния - кремниевая подложка после термообработки.

На основании ГОСТ 24897-81 был выбран состав мишени для магнетронного нанесения магнитной пленки и условия термообработки напыленного состава. Проведены процессы термообработки магнитных пленок по ГОСТу 24897-81 и по литературным данным.

В результате было проведено напыление на кремниевую подложку, проведена термообработка первых образцов магнитной пленки Намечены пути сохранения магнитной пленки на кремниевой подложке.

Глава I. Литературный обзор

. Петля гистерезиса

магнитный напыление термообработка пленка

После 10 циклов изменения напряженности от положительного максимального значения до отрицательного максимального значения, зависимость B=f(H) начинает повторяться и приобретает характерный вид симметричной замкнутой кривой, которая называется петлей гистерезиса. Гистерезис - отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно для всех процессов, где наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой в текущем и в предыдущем состоянии, т.е. =f(, ) - где  и  - соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

Петли гистерезиса можно получать при разных значениях максимальной напряженности внешнего поля  (рис 1.1). Основная кривая намагничивания - геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса. Основная кривая намагничивания совпадает с начальной кривой.

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля  (рис 1.1), которая соответствует насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции  при H = 0, называемое остаточной индукцией, и значение  при B = 0 - коэрцитивная сила. Коэрцитивная сила показывает, какую напряженность внешнего поля необходимо приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля

Характерные точки и форма предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой коэрцитивной силой (кривая 1 рис.1.1.1) называются магнитотвердыми., для них коэрцитивная сила должна быть больше 5кА/м (125 Э). Для постоянных магнитов важно иметь большие: остаточную индукцию, площадь петли гистерезиса и коэрцитивную силу. Магнитотвердые вещества используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества, с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис. 1.1.1) называются магнитомягкими, используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, особенно те, которые работают при периодически изменяющемся магнитном потоке.

Рис 1.1.1- Петли гистерезиса, B- индукция магнитного поля, H- напряженность магнитного поля.

Размер гистерезисных петель в предельном и промежуточных состояниях, характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Размер гистерезисной петли зависит от свойств материала, частоты перемагничивания и геометрических размеров материала,[1].

2. Кривая намагничивания

Это важная характеристика магнитных материалов, которая показывает зависимость магнитной индукции материала или намагниченности от напряженности внешнего поля Н.

Если в процессе намагничивания напряженность поля довести до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от изначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для полностью размагниченного вещества - начальная кривая намагничивания. На рисунке 1.2.1 начальная кривая намагничивания показана утолщенной линией. Основная кривая намагничивания имеет несколько характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке поворачиваются векторы намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. последнему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия, магнитные моменты доменов ферромагнетика, которые не ориентированы.[1]

Рис 1.2.1 - Начальная кривая намагничивания, где B- индукция магнитного поля, H- напряженность магнитного поля.

3. Домены

В ферромагнетиках в малых магнитных полях формируется доменная структура. Каждый домен - это область, намагниченная однородно до насыщения , т.е. векторы спонтанной намагниченности Js, построенные в различных точках домена, параллельны и равны по модулю.

Размер доменов, форма, взаимное расположение доменов и доменных стенок - входят в понятие «доменная структура» магнетика.

Существует огромное разнообразие доменных структур в кристаллах различных веществ. Оказывается, что для одного и того же вещества, но в образцах разного размера и формы, доменная структура может быть совершенно различной. Домены наблюдаются в поликристаллических и аморфных тонких слоях, лентах и пленках с наведенной магнитной анизотропией.

Домены различаются по виду и по своим свойствам. Например, существуют доменные структуры, исключительно чутко откликающиеся на внешние воздействия, особенно на магнитные поля. И наоборот, существуют доменные структуры, изменить которые очень трудно. Поэтому можно говорить о целом мире магнитных доменов.

При последовательном изменении напряженности магнитного поля Н от +Нs (значения поля насыщения одного направления) до -Нs (поля противоположного направления) домены образовываются, растут, развиваются, начинают взаимодействовать друг с другом, изменяют свою форму и размеры. Потом те домены, в которых намагниченность Js ориентирована удачно относительно поля (например, JsН) постепенно поглощают соседние домены (с JsЇН).Такой род перемагничивания называют перемагничиванием за счет движения доменных стенок.

Векторы спонтанной намагниченности в кристалле ориентируются строго вдоль определенных кристаллографических осей. Их называют осями легкого намагничивания (ОЛН) , так как в этих направлениях кристалл намагничивается легче, чем в любых других. В этом проявляется естественная магнитокристаллическая анизотропия.

Количество осей легкого намагничивания в разных магнетиках разное. Например, железо (Fe) имеет кубическую кристаллическую решетку, и осями легкого намагничивания служат ребра куба. Их обозначают [100], [010] и [001], поэтому у Fe три естественных оси легкого намагничивания. Никель (Ni) также имеет кубическую решетку, но осями легкого намагничивания являются пространственные диагонали куба, их четыре. Кобальт (Со) имеет гексагональную кристаллическую решетку и единственную ОЛН - гексагональную ось. Кристаллы различных веществ по характеру магнитной анизотропии могут быть подобны Fe или Ni и их называют магнитомногоосными, а те, которые подобны Со, - магнитоодноосными,[2].

Размеры доменов и границ

Причина разбиения ферромагнетиков на домены - это конкуренция магнитных сил размагничивания, сил магнитной анизотропии и обменных сил в них: обменные силы стремятся установить магнитные моменты атомов параллельно, а магнитные силы (размагничивающие) не параллельно. В результате, предельным случаем размагничивания является магнитная структура, обладающая абсолютным минимумом магнитной энергии (замкнутая магнитная конфигурация).

Следует сказать, что границы между доменами энергетически невыгодны, так как существует слишком большой скачок обменной энергии при переходе от одного домена к другому. Должен существовать слой между доменами, в котором магнитные моменты атомов M изменяют свое направление постепенно (рис.3.1), причем с выходом из плоскости (так называемая блоховская граница). Это приводит к плавному изменению обменной энергии при переходе границы. С другой стороны, так как изменение направлений M в граничном слое происходит в кристалле, все большее число атомов будет обладать магнитными моментами, которые будут не ориентированы в направлении легкого намагничивания С (рис.1.3.1), и тем самым они должны увеличивать энергию магнитной анизотропии. В результате граница приобретает такую ширину б, при которой сумма обменной энергии и энергии магнитной анизотропии будет минимальной.

Рис.1.3.1 Слой между доменами, в котором магнитные моменты атомов M изменяют свое направление постепенно

Доменные стенки можно разделить на два вида: 180-градусные, направление намагниченности в которых меняется при переходе от одной стороны стенки к другой на 180 (рис.3.1), и 90-градусные, в которых направление намагниченности меняется только на 90 градусов

Упрощенный расчет для ширины граничного слоя в случае 180 - соседства для одноосного кристалла дает:

δ = p (3.1)

где А - обменный интеграл,

К - константа магнитной анизотропии,- постоянная решетки.

р - константа порядка единицы.

Подстановка соответствующих значений показывает, что δ= 10-5 см т.е составляет десятые доли микрона, что совпадает с данными опыта.

Образование граничных слоев происходит с затратой некоторого количества энергии, пропорционально площади граничного слоя. Как показывает расчет, плотность граничной энергии, т.е. энергия единицы поверхности граничного слоя, равна:

γ= p (3.2)

Подстановка численных значений показывает, что плотность граничной энергии лежит в пределах от 0,1 до 10 эрг/см2.

Ширина домена, зависит от величины кристалла. Расчет дает, что ширина домена d равна:

=  , (3.3)

где L - длина кристалла.

Таким образом, крупные домены могут быть получены лишь в крупных кристаллах. В очень мелких кристаллах доменной структуры вообще не возникает, они являются однодоменными.

Следует заметить, что в тонких магнитных пленках в направлениях, перпендикулярных плоскости пленки, существует большое размагничивающее поле (анизотропия формы), и поэтому реализуется доменная граница без выхода вектора J из плоскости (Неелевская граница)

4. Температура Кюри

Температура Кюри, Тс,- температура любого фазового перехода второго рода <#"867415.files/image015.gif">Н (для системы СИ, Гн/м - абсолютная магнитная постоянная).

У анизотропных тел (кристаллов) магнитная проницаемость - тензор. Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью в соотношении µ = 1 +c , где m измеряется в безразмерных единицах. Для физического вакуума c = 0 и µ= 1.

У диамагнетиков c<0 и µ < 1, у парамагнетиков и ферромагнетиков>0 и µ > 1. В зависимости от того, измеряется ли m ферромагнетиков в переменном или статическом магнитном поле, её называют соответственно динамической или статической магнитной проницаемостью. Значения этих магнитных проницаемостей не совпадают, так как на намагничивание ферромагнетиков в переменных полях влияют резонансные явления, вихревые токи и магнитная вязкость. Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложно зависит от Н, для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной, начальной и максимальной магнитной проницаемости, [4].

7. Классификация магнитных материалов

Существуют магниты двух разных видов. Одни - так называемые постоянные магниты, изготавливают из «магнитнотвердых» материалов. Магнитные свойства этих материалов не связаны с использованием внешних источников или токов. Второй вид магнитов - электромагниты с сердечником из «магнитномягкого» железа. Создаваемые магнитномягкими материалами магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, которая охватывает сердечник, проходит электрический ток.

Процессы намагничивания материалов двух видов протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует небольших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются в основном за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса,[5].

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы - магнитные материалы с малой коэрцитивной силой ( 5 кА/м) и высокой магнитной проницаемостью.

Коэрцитивная сила - размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью, которое необходимо приложить к ферромагнетику предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность или индукцию. При температурах ниже точки Кюри магнитомягкие материалы спонтанно намагничены и состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения доменов.

Промышленные магнитомягкие материалы имеют значение  порядка 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при небольших напряженностях поля. Намагничивание происходит за счет смещения доменных границ. Для таких материалов нужно максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии (анизотропный характер магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах) и магнитострикции (изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании). Для облегчения процесса намагничивания, необходимо уменьшить количество дефектов в сплаве (примесей внедрения, дислокаций и др.), которые мешают свободному движению доменных стенок.

Если используются магнитомягкие материалы в переменных магнитных полях, то желательно иметь большое значение электросопротивления магнетика. Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем при более высоких частотах его можно применять.

Магнитомягкие материалы по области применения делят на:

материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей и

на высокочастотные магнитомягкие материалы.

К магнитомягким материалам специального назначения относятся магнитострикционные материалы, с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию и термомагнитные сплавы, служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов,[5].

Материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Кроме высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи для трансформаторов выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа или ленты. Требуется, чтобы листовые и ленточные материалы были высокопластичными. Также, магнитные свойства материалов зависят от частоты магнитного поля. Важное требование к магнитомягким материалам - обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. В процессе эксплуатации материала наибольшим изменениям из всех магнитных характеристик подвержены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы, такие как пермаллой и альсифер,[5].

Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвёрдые материалы - магнитные материалы, характеризующиеся высокими значениями коэрцитивной силы . Качество магнитотвердых материалов характеризуют также значения остаточной магнитной индукции, максимальной магнитной энергии, отдаваемой материалом в пространство  и коэффициента выпуклости. Материалы также должны иметь высокую временную и температурную стабильность перечисленных параметров и удовлетворительные прочность и пластичность.

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений и др. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.

Магнитотвердые материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях.

Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов. Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике, в устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Их используют в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др. Преимущества постоянных магнитов по сравнению с электромагнитами постоянного тока - повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения.

Важнейшее требование к постоянному магниту - получение максимальной магнитной энергии в рабочем зазоре, поэтому удельная магнитная энергия  (энергия, отнесенная к единице объема магнита) - одна из важнейших характеристик магнитотвердых материалов. Она пропорциональна произведению:

 = /2

где B и H - максимальные значения остаточной индукции внутри магнита и размагничивающей напряженности, соответственно.

Магнитотвердые вещества характеризуют произведением , которое называется энергетическим произведением.

С усилением прямоугольности петли гистерезиса коэффициент выпуклости приближается к единице.

Чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости, тем больше максимальная энергия магнита. Магнитотвердые материалы намагничиваются с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет вращения вектора намагниченности.

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются на легированные стали, закаленные на мартенсит, литые высококоэрцитивные сплавы, порошковые магнитотвердые материалы, магнитотвердые ферриты, пластически деформируемые сплавы, сплавы для магнитных носителей информации,[4].

Литые высококоэрцитивные сплавы

К этой группе относятся сплавы систем Fe-Ni-Al (ални) и Fe-Ni-Co-Al, модифицированные различными добавками. Литые высококоэрцитивные сплавы являются основными промышленными материалами для изготовления постоянных магнитов. Они являются активными элементами многих приборов и характеризуются благоприятным соотношением между магнитными свойствами и стоимостью производства. Их магнитные характеристики:  =30-110 кА/м,  =3-30 кДж/м3.

Магнитная текстура высококоэрцитивных сплавов создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле. Кристаллическую текстуру создают методом направленной кристаллизации сплава, залитого в форму, используя особые условия теплоотвода. Сплавы, полученные направленной кристаллизацией, имеют специфическую столбчатую структуру. Сочетание кристаллической и магнитной текстур позволяет улучшать все параметры магнитотвердого материала.

Бескобальтовые сплавы наиболее дешевые. Сплавы, содержащие кобальт, применяются в тех случаях, когда требуются повышенные магнитные свойства и нужен изотропный магнитный материал. Сплавы с 24% кобальта (магнико), обладающие высокими магнитными свойствами в направлении магнитной текстуры, используют при направленном магнитном потоке. Сплавы с направленной кристаллизацией обладают наибольшим запасом магнитной энергии,[4].

8. Магниторезисторы

Магниторезисторы-это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.

Механизм изменения сопротивления довольно сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К тому же он неодинаков для разных типов приборов, технологий и материалов. Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как магнитная чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.

В РБ, РФ и за рубежом выпускается широкая номенклатура магниторезисторов отличающихся типом конструкции и технологией изготовления магниточувствительного элемента и магнитной цепи. Особенно разнообразен ассортимент зарубежных магниторезисторов.

Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».

«Монолитные» магниторезисторы. Принцип действия монолитных магниторезисторов основан на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле. Конструкция «монолитного» магниторезистора приведена на рис 1.8.1 .

Подложка

Рис. 1.8.1. Конструкция «монолитного» магниторезистора

г)

Рис. 1.8.2. Варианты топологии МЧЭ «монолитных» магниторезисторов

Магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (МЧЭ). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака. МЧЭ может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля или «смещающим» постоянным микромагнитом.

«Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения арсенид индия (InAs) и др.

В зависимости от назначения прибора МЧЭ могут иметь различную форму. Наиболее известны МЧЭ прямоугольной формы и имеющие вид меандра (рис. 1.8.2а).

Элементы, показанные на рис. 1.8.2г, предназначены для использования в магнитоуправляемых устройствах с круговым перемещением источника магнитной индукции. Магниточувствительный элемент, изображенный на рис.1.8.2ж, представляет собой круговой магниторезистивный мост.

Наибольшее распространение для изготовления МЧЭ получил эвтектический сплав InSb-NiSb, легированный теллуром. В РБ и РФ этот сплав известен под званием СКИН.

В зарубежных приборах применяется аналогичный сплав трех модификаций L, D, N. Типичная зависимость магниторезистивного отношения (Rв/R0) МЧЭ, изготовленных из сплава InSb-NiSb, от индукции управляющего магнитного поля показана на рис. 1.8.3

Рис.1.8.3 Типичная зависимость МЧЭ, изготовленных из различных модификаций сплава InSb-NiSb, от величины индукции управляющего магнитного поля

Чувствительность магниторезистивного элемента изменяется и при изменении угла между вектором магнитной индукции и плоскостью элемента. Эта зависимость выражается формулой :

(Rв-R0)/R0=[(RвR0)/R0]максЧ{sin2ψ/[1+(μnЧВ)2Чcos2ψ]}(11.34) где Rв - сопротивление МЧЭ при воздействии магнитного поля (В = Вном);- сопротивление МЧЭ при отсутствии магнитного поля (В= 0);

ψ - угол между векторами напряженности электрического и магнитного полей.

В “монолитных” МЧЭ, как правило, вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости чувствительного элемента. Поэтому максимальная чувствительность “монолитного” МЧЭ достигается при нормально падающем магнитном потоке (ψ = 90°). При использовании концентраторов и других элементов магнитных систем зависимость может быть иной.

Сопротивление и чувствительность магниторезисторов зависят и от температуры. Как следует из рис. 1.8.3., зависимость магнитной чувствительности «монолитного» МЧЭ в области слабых полей близка к квадратичной, а в области сильных полей - практически линейна. Область перехода от слабых полей к сильным для реальных магниторезистивных элементов лежит в пределах 0,2-0,4 Тл

Применение магниторезисторов. Магниторезисторы применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа электрического тока и напряжения и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях, измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре системах автоматического управления, устройствах считывания информации ЭВМ, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированные игрушках и др.

Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе тонкопленочных магниторезисторов, которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом их организации.

Основное назначение таких приборов - это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).

Особенности применения магниторезисторов. При использовании магниторезисторов необходимо учитывать их преимущества и недостатки.

Например, «монолитные» магниторезисторы целесообразно использовать для регистрации «сильных» магнитных полей (100-1000 мТл). При этом следует учитывать максимальное значение индукции управляющего магнитного поля (Вмакс), при котором гарантируется заданная линейность преобразования, так как с ростом индукции управляющего поля, как правило, растет входное сопротивление магниточувствительного элемента. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы при высоких индукциях (1 Тл и более) значение тока управления было выбрано таким, при котором температура элемента не будет превышать допустимую.

При использовании магниторезисторов необходимо учитывать его так называемую нагрузочную способность.

Этот параметр определяется предельным допустимым значением температуры перегрева прибора, при котором он не выходит из строя. Для большинства магниторезисторов Тмакс не превышает 150 °С. Обычно в паспорте на прибор указывается рабочий диапазон, в котором возможна эксплуатация.

Нагрузочная способность магниторезистора определяется в документации на прибор одним из следующих параметров:

значением мощности, которую может рассеять магниторезистор Рмакс;

значением предельно допустимого тока Iмакс;

значением теплового сопротивления λ.

Тонкопленочные магниторезисторы больше подходят для регистрации слабых магнитных полей (до 10-30 мТл), иногда близких к пороговым значениям. При этом следует помнить, что порог чувствительности определяется минимальным уровнем магнитного поля, регистрируемым преобразователем магнитного поля при отношении сигнал/шум равном единице. Порог чувствительности характеризуется многими параметрами МЧЭ: величиной остаточного напряжения, уровнем собственных шумов, величиной тока управления и т.д. Значение остаточного напряжения зависит от направления и значения тока управления, от температуры элемента.

Температурное изменение чувствительности магниторезисторов на основе ФМП при питании от источника постоянного тока составляет около -0,04% на градус Цельсия, что в 5-10 раз меньше, чем у «монолитных» магниторезисторов .

Кроме того, при использовании в ограниченном динамическом диапазоне (до10 мТл) тонкопленочные магниторезисторы выгодно отличаются от других преобразователей магнитного поля.

На рис.1.8.4.приведены выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом напряжении питания равном 5 В.

Из рис 1.8.4. видно, что при магнитной индукции 5 мТл, соответствующей линейным участкам всех приведенных характеристик, чувствительность тонкопленочных магниторезисторов в 5 раз выше чувствительности других магниточувствительных приборов,[6].

Рис.1.8.4.Выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом напряжении питания равном 5 В.

Для нормальной работы магниторезисторов необходимо подмагничивание для доведения объема магниторезистора до монодоменного состояния (т.е. довести его объем до магнитного насыщения).

9. Свойства сплавов постоянных магнитов на основе Fe-Cr-Co

Для реализации подмагничивающего постоянного магнита на обратной стороне подложки магниторезистивной интегральной схемы, было предложено напылять с помощью магнетронного распыления деформируемые сплавы состава Fe-Cr-Co с добавками переходных металлов. Эти сплавы являются сплавами с низким содержанием кобальта, что приводит к их малой себестоимости. Эти сплавы являются дисперсионно твердеющими. Высокие коэрцитивные свойства они приобретают в результате многоступенчатой термообработки, см ГОСТ 24897-81.

Рис.1.9.1 Индукция и коэрцитивная сила после термообработки

Из рис.1.9.1 видно, что эти сплавы имеют высокие индукцию и коэрцитивную силу, и могли бы быть использованы в качестве постоянных магнитов для магниторезистивных интегральных схем.

В КФ МГТУ предпринимались попытки реализации высококоэрцитивного состояния пленок сплава указанного в ГОСТ 24897-81 сплава №7, как имеющего самую большую коэрцитивную силу из всех составов Fe-Cr-Co, [7].

Рис.1.9.2 Деформирование петли гистерезиса после серии термообработок.

В соответствии с данными статьи «Свойства тонких магнитных пленок, полученных методом магнетронного напыления»:… «пленки, полученные после напыления, имеют специфическую кривую намагничивания, что указывает на наличие двух фаз при напылении. В результате серии термообработок можно увидеть, как деформируется петля гистерезиса, и из наклонной «двухфазной» она превращается в прямоугольную однофазную (см. Рис.1.9.2 ). Надписи на рис - по оси ординат - магнитный момент в электромагнитных единицах (система СГСМ), по оси ординат - магнитная индукция в зазоре электромагнита в гауссах во время снятия петель гистерезиса. Петли 1-5 соответствуют отжигам с приведенными температурами, петля 6 - соответствует образцу, не подвергавшемуся отжигам. Деформация петель при изменении температуры отжига свидетельствует о том, что пленки после отжига при 6000С становятся однофазными без существенного изменения в коэрцитивной силе.»,[7]. Петли гистерезиса снимались на вибромагнетометре фирмы «LakeShore».

Выводы

Магнитные интегральные схемы с магниторезисторами требуют, как уже указано, подмагничивание. Источником подмагничивания может служить электромагнит или постоянный магнит. Наиболее оптимальным способом является использование постоянных магнитов. Эти постоянные магниты могут быть реализованы в виде пленок магнитотвердых магнитопластов, либо пленок магнитных сплавов, напыляемых на нерабочую сторону подложки магниторезистивной интегральной схемы. Ранее проведенные эксперименты с тонкими пленками состава Fe-Cr-Co, которые показали достаточно низкие значения коэрцитивной силы (не более 80 Э).

Глава 2. Экспериментальная часть

Для реализации подмагничивающего постоянного магнита на обратной стороне подложки магниторезистивной интегральной схемы, было предложено напылять с помощью магнетронного распыления деформируемые сплавы состава Fe-Cr-Co с добавками переходных металлов. Эти сплавы являются сплавами с низким содержанием кобальта, что приводит к их малой себестоимости. Эти сплавы являются дисперсионно твердеющими. Высокие коэрцитивные свойства они приобретают в результате многоступенчатой термообработки, по ГОСТ 24897-81. Среди множества составов, указанных в этом ГОСТ, наиболее технологичным является, по нашему мнению, состав, обозначенный на рис. 9.1, как состав №10. Его магнитные характеристики, измеренные на объемных образцах, с характерными размерами не менее, чем 10*10*10 мм^3: Hc=40 кА/м, Br=1.2Тл. Нанесение пленки этого сплава производилось с помощью магнетронного напыления на кремниевую подложку КЭФ-4.5 предварительно окисленную. Для получения магнитной пленки с нужными параметрами коэрцитивной силы и остаточной индукции, необходимо реализовать технологический процесс, рис.2.1

Рис.2.1 Технологический процесс получения магнитной пленки с нужными параметрами.

1. Подготовка к напылению

Очистка кремниевой пластины - перекисно-аммиачный состав NH4OH:H2O2=1:1, с последующей обработкой в диметилформамиде (ДМФА) при температуре 65°C.

Окисление кремниевой пластины происходило в печи СНОЛ на воздухе, [8], при температуре 1100°C.

2. Напыление сплава Fe-Cr-Co

В установке магнетронного распыления на кремниевой пластине

КЭФ-4.5 (рис 1.2.2), напылялся сплав состава Fe-Cr-Co.(б) Сплав №10 согласно ГОСТ-24897-81. Состав №10 был выбран в связи с тем, что он не предполагает предварительную термообработку напыленной пленки при температурах до 1300°C. Напыление производилось с предварительным нагревом пластины кремния до температур превышающих 200 °C в модернизированной установке типа УВН 71- П3 из мишени указанного выше состава в атмосфере особо чистого аргона при давлении аргона менее 1 Па, при напряжении на аноде магнетрона 450В и токе 2А.

Рис 2.2.1 Установка магнетронного распыления

Рис.2.2.2 Кремниевая пластина КЭФ-4.5

Рис.2.2.3Мишень сплава Fe-Cr-Co (рис 2.3)

После напыления получили тонкие пленки на кремниевой подложке, как видно из рисунка 2.2.4

Рис.2.2.4. Состав тонкой пленки на кремниевой пластине КЭФ-4.5

Толщина Fe-Cr-Co = 2мкм, толщина SiO2 = 1мкм

3. Термообработка тонких пленок в вакууме

После напыления образцы были подвергнуты термической обработке в форвакууме. Термообработка в форвакууме происходит в восстановительной атмосфере, что не допускает окисление магнитной пленки. Процедура термообработки проводилась также по ГОСТ 24897-81:

.Нагрев до 730°C Выдержка 30 минут.

.Охлаждение до 700°C с произвольной скоростью

.Охлаждение от 700°C до 600°C - 2°C/мин

Отпуски:

.620°C - 1 час

.600°C - 1 час

.580°C - 2 часа

.560°C - 4 часа

.540°C - 5 часов

Состав установки термообработки:

печь «СНОЛ» ;

кварцевая трубка с образцом;

вакуумпровод;

форвакуумный насос;

вакууметр ВИТ-2;

Установка термообработки тонких пленок в вакууме показана на рис 2.3.1

Рис.2.3.1. Установка термообработки тонких пленок в вакууме.

В диапазоне давления вакуум составлял от 0.3 до 0.7 Па, для работы использовали форвакуумный насос;

Показания вакуума снимаются со стрелочного прибора вакуумметра ВИТ-2

Образец помещается в кварцевую трубку, которая соединена со шлангом, ведущему к форвакуумному насосу.

Термообработка происходит в печи «СНОЛ».

4. Результаты процессов термообработки

После термообработки по ГОСТ 24897-81 коэрцитивная сила тонких магнитных пленок не возрастала.

После термообработки на образцах наблюдались разрушения пленки и в некоторых местах наблюдались разрушения кремния. Это хорошо видно на фотографии тонкой пленки после термообработки (рис.2.4.1). Снимок был сделан на конфокальном микроскопе «Nanofocus», который был предоставлен предприятием «Растр-технология», город Обнинск. На снимке отчетливо видно разрушения в кремнии (магнитная пленка отслаивалась).

Рис.2.4.1.Снимок тонкой пленки после термообработки.

Чтобы узнать, на каком этапе термообработки начинается разрушение

был проведен небольшой отжиг:

. 1200°C - 1 час;

. 710°C - 1 час.

Для этого небольшого эксперимента было использовано несколько образцов, которые были напылены лишь наполовину, а другая половина - чистая поверхность кремния.

После отжига образцы были исследованы на оптическом микроскопе с увеличением 200х-400х.

На рисунке 2.4.2 представлена шкала объект-микрометра отраженного света (ОМО), у которой расстояние между двумя ближайшими штрихами составляет 10 мкм. Таким образом, можно оценить размеры кластеров (50÷100) мкм и их латеральное расположение от границы пленка-подложка - (150÷350) мкм. На рис.2.4.3 непокрытая область подложки располагается правее шкалы ОМО.

На рисунке 2.4.4 можно увидеть, что на торце глубина трещины составляет 0.6 мкм.

Результаты этого эксперимента были опубликованы в статье [9]

Рис.2.4.2. Один из кластеров трещин

Рис.2.4.3 Массив кластеров трещин.

Рис.2.4.4 Снимок образца тонкой пленки после термообработки.

Далее было решено опытным путем, найти нижнюю и верхнюю температурные границы фазовых переходов в магнитной пленке. После многочисленных экспериментов, границы были обнаружены и приведены в таблице 1:

Таблица 1.Состояние магнитной пленки на кремниевой подложке

Для более наглядного представления показана шкала температур, в которой указан диапазон начала и конца температурных границ при которых наблюдалось отслаивание тонкой магнитной пленки от пластины с разрушением кремниевой пластины на рис.2.4.5:

Рис.2.4.5. Шкала отслоения магнитной пленки от кремниевой подложки.

5. Термообработка по патенту

Была проведена термообработка одного образца по патенту Трошкиной В.А.[10]:

.1100°C - 30 минут;

.Закалка в воде;

.800°C - 1 час;

.Закалка в воде;

.530°C - 2 часа;

.Закалка в воде;

.620°C - 2 часа;

.Закалка в воде;

.580°C - 2 часа;

.Закалка в воде;

.530°C - 3 часа;

.Закалка в воде.

После термообработки, образцы были протестированы на магнитные свойства, на вибромагнитрометре фирмы «LakeShore» в МГУ им М.В.Ломоносова.

Рис.2.5.1.Ориентация поля, параллельная плоскости

Согласно этим тестам, величина коэрцитивной силы достигла 105 Э, что конечно же, не достаточно для удовлетворения требований заказчиков (их требования к коэрцитивной силе - не менее 200 Э).Петля гистерезиса стала прямоугольной , что говорит об однофазности образца. Это необходимо для реализации постоянных магнитов.

Нахождение пленки на подложке приводит к появлению перпендикулярной анизотропии, что говорит о высоком уровне механических напряжений в магнитной пленке, кроме того, часть пленки отслоилась.

Коэрцитивная сила исходного образца 88 Э, судя по форме петли, образец двухфазный. После отжига коэрцитивная сила возросла до 105 Э. Намагниченности отличаются значительно (см.рисунок).

Рис.2.5.2 Ориентация поля, перпендикулярная плоскости образца.

Судя по петлям, снятым перпендикулярно плоскости, пленки обладают перпендикулярной анизотропией - коэрцитивная сила перпендикулярно плоскости около 310 Э. Отжиг на величину перпендикулярной анизотропии практически не повлиял (коэрцитивная сила не изменилась).

Глава 3.Охрана труда и экология

. Характеристика опасностей

При напылении в вакуумной установке:

Кремниевая пластина, легированная фосфором относится к группе изделий электронной техники.

При получении тонких пленок на кремниевых пластинах, обслуживающий персонал сталкивается с множеством различных опасных и вредных факторов (повышенный уровень напряжения, повышенный уровень шума, опасность химического поражения при подготовке пластин к напылению Si3N4, опасность высокотемпературных и низкотемпературных ожогов).

Источниками электрической опасности являются электрические сети питания оборудования, высоковольтные источники и пульты, электронагреватели для обезгаживания элементов вакуумных систем.

Источником шума при формировании тонких пленок на кремниевых подложках являются механизмы вентиляции, приводы механических насосов.

Источником высокотемпературных ожогов могут быть кипятильники для рабочей жидкости пароструйных насосов, электронагреватели установки вакуумного напыления плёнок.

Источником низкотемпературных ожогов (обморожения) могут быть системы охлаждения ловушек вакуумных насосов жидким азотом.

При обработке кремниевых пластин перед напылением тонких магнитных пленок применяются вредные для здоровья человека агрессивные вещества - ацетон и раствор, в котором присутствует аммиак.

Поражение персонала может происходить при попадании аммиака на открытые части тела и одежду, а также при вдыхании его паров.

При термообработке в форвакууме:

Источниками электрической опасности являются электрические сети питания оборудования.

Источником шума при термообработке пленок в форвакууме явяется привод форвакуумного насоса.

Источником высокотемпературных ожогов является нагретая печь.

Во время работы форвакуумного насоса есть опасность попадания в дыхательные пути человека выхлопов паров масла.

1.1 Характеристика параметров микроклимата

Показателями, характеризующими микроклимат, являются:

температура воздуха;

относительная влажность воздуха;

скорость движения воздуха;

интенсивность теплового излучения.

Оптимальные показатели микроклимата распространяются на всю рабочую зону, допустимые устанавливаются дифференцированно для постоянных и не постоянных рабочих мест.

Для соблюдения комфортных условий необходимо соблюдать тепловой баланс, который складывается из теплопередачи, конвективного теплообмена, тепла излучения, тепла испарения, тепла нагретого воздуха.

При обеспечении оптимальных показателей микроклимата температура внутренних поверхностей конструкций, ограждающих рабочую зону (стен, потолка, пола и др.) не должны выходить более чем на 2°С за пределы оптимальных величин температуры воздуха, установленных по ГОСТ 12.1.005-88 для отдельных категорий. Перепад температуры по высоте рабочей зоны допускается до 3°С, по горизонтали -до4°С.

Повышенная температура может вызвать не только перегрев организма, но и тепловой удар. Пониженная температура может привести к простудным заболеваниям. Пониженная влажность воздуха в помещении вызывает высыхание слизистых оболочек, что снижает сопротивляемость организма.

Скорость движения воздуха на рабочем месте должна быть не более 0.1 м/с

Параметры микроклимата в помещении должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.005-88. Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов не должна превышать:

35 Вт/м2 при облучении 50% поверхности тела и более,

70 Вт/м2 при облучении от 25 до 50% ,

100 Вт/м2 при облучении не более 25% поверхности тела. С целью вывода избыточного тепла помещений небольших размеров применяются кондиционеры, вентиляционные установки, дефлекторы. Для обеспечения нормальной температуры в зимнее время используются отопительные приборы.

Параметры микроклимата рабочего места инженера-конструктора удовлетворяют “Санитарными нормами микроклимата производственных помещений ” 1986 г. и ГОСТ 12.1.005-88.

1.2 Характеристика параметров источников шума

Шумом называется хаотическая совокупность звуков с частотами от 20 Гц до 20 кГц. Источником шума при формировании тонких пленок на кремниевых подложках являются механизмы вентиляции, приводы механических насосов,

Шум на производстве вредно действует на организм человека, снижает производительность труда. При длительном воздействии повышенного уровня шума на человека происходят нежелательные явления: снижается острота слуха, повышается кровяное давление. Утомление рабочих из-за сильного шума увеличивает число брака при работе на операциях напыления.

Допускается использовать в качестве нормативного предельного спектра ПС-75 (предельный спектр 75 дБА в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц). Болевой порог 120-140 дБА.

Уровень шума должен быть ниже предельно допустимого по ГОСТ 12.1.003-88 "ССБТ. Шум. Общие требования безопасности."

Для снижения уровня шума в помещении, где эксплуатируется система, необходимо провести:

• акустическую обработку помещения (звукоизоляция стен, установка штучных звукопоглощателей);

• мероприятия по уменьшению звука в источнике;

• мероприятия по борьбе с шумом на пути его распространения (звукоизолирующие кожухи, экраны, наушники, вкладыши).

Допустимые шумовые характеристики рабочих мест удовлетворяют требованиям ГОСТ 12.1.003-83 «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности», СНиП 23-03-03 «Защита от шума» и СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».

1.3 Характеристика параметров пожарной безопасности

В процессе получения тонких пленкок не используются легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества. Однако в качестве горючего компонента могут служить строительные материалы для эстетической отделки системы, изоляция силовых кабелей, радиотехнические детали и соединительные провода электронной схемы. В качестве окислителя выступает кислород находящийся в воздухе. Источниками воспламенения могут быть электрические искры, дуги, перегретые участки.

К причинам возникновения пожара можно отнести:

) нарушение технологического режима;

) неисправность электрооборудования;

) износ и коррозия оборудования;

) конструктивные недостатки оборудования.

Для обеспечения своевременных мер по обнаружению и локализации пожара, эвакуации рабочего персонала, а также для уменьшения материальных потерь необходимо выполнять следующие условия:

наличие системы автоматической пожарной сигнализации;

наличие эвакуационных выходов;

наличие первичных средств пожаротушения: огнетушители, пожарные стволы, сухой песок.

Требования по обеспечению пожаробезопасности и соответствующие мероприятия по их обеспечению излагаются в ГОСТ 12.1.004-91 "ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования."

Источниками высокотемпературных ожогов могут быть поверхности элементов, подвергающихся прогреву. Поэтому кипятильники для рабочей жидкости пароструйных насосов и агрегатов должны быть закрыты теплоизоляционными кожухами, а электронагреватели - надежно теплоизоляционными кожухами, а электронагреватели - надежно изолированы от корпусов и недоступны для случайного прикосновения. Снимать и устанавливать электронагреватель можно только после отключения напряжения сети питания и охлаждения.

Источником низкотемпературных ожогов (обморожения) могут быть системы охлаждения ловушек жидким азотом. При работе со сжатыми и сжиженными газами следует знать и соблюдать требования техники безопасности. Так как при попадании на кожу жидкие газы вызывают ожоги, необходимо предохранять сосуды Дьюара во избежание их выплескивания от резких толчков и ударов. Запрещается хранить сосуды Дьюара с жидкими газами около радиаторов и нагревательных приборов. Система автоматической подачи жидкого азота к охлаждаемому должна быть снабжена предохранительным клапаном, срабатывающем при избыточном давлении более 1,17 * 105 Па.В случае необходимости применяются СИЗ.

Требования по обеспечению пожаробезопасности и соответствующие мероприятия по их обеспечению излагаются в ГОСТ 12.1.004-91 "ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования."

1.4 Характеристика параметров освещения

Свет представляет собой видимые глазом электромагнитные волны оптического диапазона длиной 380-760 нм, воспринимаемые сетчатой оболочкой зрительного анализатора. В производственных помещениях используется 3 вида освещения: естественное, создаваемое направленным или рассеянным солнечным светом, или светом неба; искусственное, когда используются только искусственные источники света; совмещенное или смешанное, характеризуется одновременным сочетанием естественного и искусственного освещения. В производственных помещениях используются следующие виды естественного освещения: боковое - через светопроемы (окна) в наружных стенах; верхнее - через световые фонари в перекрытиях; комбинированное - через световые фонари и окна. В зданиях с недостаточным естественным освещением применяют совмещенное освещение - сочетание естественного и искусственного света. Искусственное освещение на промышленных предприятиях осуществляется лампами накаливания и газоразрядными лампами, которые являются источниками искусственного света. В производственных помещениях применяются общее и местное освещение. Общее - для освещения всего помещения, местное (в системе комбинированного) - для увеличения освещения только рабочих поверхностей или отдельных частей оборудования.

Для искусственного освещения помещений с вычислительной техникой следует использовать главным образом люминесцентные лампы, у которых высокая световая отдача (до 75 лм/Вт и более); продолжительный срок службы (до 10 000 ч), малая яркость светящейся поверхности, близкий к естественному спектр излучения, что обеспечивает хорошую цветопередачу. Наиболее приемлемыми являются люминесцентные лампы белого света и тепло-белого света мощностью 20, 40, 80 Вт.

Для исключения засветки экранов дисплеев прямым световым потоком, светильники общего освещения располагают сбоку от рабочего места, параллельно линии зрения оператора и стене с окнами. Такое расположение светильников позволяет производить их последовательное включение по мере необходимости и исключает раздражение глаз чередующимися полосами света и тени, возникающее при поперечном расположении светильников.

Рекомендуемая освещенность для работы с экраном дисплея составляет 150 лк, а при работе с экраном в сочетании с работой над документами - 300 лк. Рекомендуемая яркость в поле зрения программиста должна лежать в пределах 1:5-1:10.

При плохом освещении возрастает потенциальная опасность ошибочных действий и несчастных случаев: до 5 % травм можно объяснить недостаточным освещением, а в 20 % случаев оно способствовало их возникновению. Плохое освещение может привести к профессиональным заболеваниям: рабочая миопия (близорукость), спазм аккомодации, нистагм. У лиц, полностью или частично лишённых естественного света (по роду работы или в силу географических условий), может возникнуть световое голодание.

Вредными факторами, ухудшающими условия зрительной работы, являются:

·        недостаточная освещенность рабочей зоны;

·        отсутствие или недостаток естественного света;

·        повышенная яркость света, пониженная контрастность;

·        повышенная пульсация светового потока;

·        наличие прямой и отраженной блескости;

·        неправильное направление света;

·        неравномерное распределение яркости.

Вышеперечисленные факторы могут вызвать утомление глаз, раздражение, преждевременную усталость, ослабление внимания, резь в глазах. Недостаток света на рабочем месте повышает утомляемость, снижает производительность труда, приводит к ухудшению зрения. Кроме того, недостаточная освещенность увеличивает количество брака и ошибок. Избыточная освещенность и неправильное направление светового потока приводят к эффекту отражения светового потока от экрана монитора и бликов, что вызывает у разработчика головную боль, ухудшение зрения и повышает нервное напряжение, что, в свою очередь, является причиной повышения утомляемости и снижения производительности труда.

Недостаточная и избыточная освещенность, а также неправильное направление светового потока устраняются следующими мероприятиями:

·        уменьшить (в пределах допустимого) освещенность в рабочем помещении, так как при излишней освещенности плохо видны символы на экране монитора;

·        оборудовать светильники и окна специальными рассеивателями света;

·        использовать защитные козырьки; располагать источники света параллельно направлению взгляда на экран монитора с обеих сторон от него;

·        использовать специальные защитные экраны, устанавливаемые на монитор и позволяющие устранить блики и увеличить общий контраст изображения;

·        использовать мониторы со специальным антибликовым покрытием экрана.

Освещенность на рабочем месте соответствует требованиям СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение" в зависимости от точности выполняемых производственных операций, световых свойств рабочей поверхности и рассматриваемой детали, системы освещения.

Причинами поражения человека электрическим током может быть случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением, появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования - на корпусах, кожухах в результате повреждения изоляции, состояние кожи человека, наличие алкоголя в крови.

Ток, проходя через тело человека, оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие. В зависимости от значения и длительности протекания через тело человека, рода и частоты тока, электрический ток может вызвать шок, временное прекращение дыхания, остановку сердца и смерть. При воздействии электрического тока на организм человека возможны ожоги, изменение состава крови.

Сила поражения током зависит от:

напряжения прикосновения;

рода и силы тока;

длительности воздействия тока;

пути прохождения тока через тело человека;

состояния кожи человека.

Напряжение прикосновения нормируется в соответствии с ГОСТ 12.1.038-82.

В соответствии с ГОСТ 12.1.038.-82 необходимо принимать специальные меры защиты от поражения электрическим током:

ограждение токоведущих частей;

надежное заземление оборудования;

наличие устройства защитного отключения;

наличие двойной изоляции;

обеспечение рабочего места резиновым ковриком;

наличие предупреждающих знаков.

Электроустановки соответствуют ГОСТ12.1.009-88.

2. Расчет защитного заземления для установки вакуумного напыления

Расчет защитного заземления заключается в определении количества и размеров заземлителей, составлении плана размещения заземляющих проводников.

Исходными данными для расчета являются:

характеристика электрооборудования;

размещение установки;

сведения о грунте.

Необходимо рассчитать защитное заземление для установки вакуумного напыления. В качестве заземлителя выберем металлические трубы длиной 1-2 м и диаметром d= 0.03 м. Расстояние между трубами l=6м. Удельное сопротивление грунта (суглинок) в месте разработки ρ=102Ом·м. Расстояние от поверхности земли до верхнего конца заземлителя равно 0,6 м.

Установка вакуумного напыления относится к оборудованию со средним значением напряжения 1000 В. Предельно допустимое сопротивление таких установок 4 Ом.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА:

Сопротивление одиночного заземлителя:

где:- глубина заложения трубы, равная расстоянию от поверхности земли до середины заземлителя:

= t0 + 0,5 · l = 0,6 + 0,5 · 2 = 1,6 м.

Тогда: =41,5 Ом.

. Необходимое количество труб (заземлителей):

= R0/(rз · η),

где:з =4 Ом - сопротивление заземлителя согласно требования «Правил устройства электроустановок».

η - коэффициент экранирования, препятствующий полному растеканию тока с каждого заземлителя. Значение η выбирается из таблицы: η =0.68.

Тогда:= 41.5/4·0.68=15.

. Сопротивление соединительной полосы:

,

где:П - длина соединительной полосы,- ширина полосы (b = 0.005 м),- глубина заложения (t0= 0.6 м),

ηИ - коэффициент использования полос (ηИ = 0-4).

Длина полосы: lП = 1.05·d·n, где:- расстояние между трубами,- количество труб.П = 1,05·6·15= 94,5м. Тогда:

П=6,57 Ом.

. Результирующее сопротивление заземляющего устройства:

ОБЩ=1,95 Ом.ОБЩ<rЗ

.95 Oм < 4 Oм.

Рассчитанное заземление удовлетворяет требованиям «Правил устройства электроустановок»

Рассчитаем защитное заземление для печи «СНОЛ» (где проводится термообработка магнитных тонких пленок).

В качестве заземлителя выберем металлические трубы длиной 1-2 м и диаметром d= 0.03 м. Расстояние между трубами l=6м. Удельное сопротивление грунта (суглинок) в месте разработки ρ=102Ом·м. Расстояние от поверхности земли до верхнего конца заземлителя равно 0,6 м.

Печь «СНОЛ» относится к оборудованию со средним значением напряжения 250 В. Предельно допустимое сопротивление таких установок 2 Ом.

Сопротивление одиночного заземлителя:

где:- глубина заложения трубы, равная расстоянию от поверхности земли до середины заземлителя:

= t0 + 0,5 · l = 0,6 + 0,5 · 2 = 1,6 м.

. Необходимое количество труб (заземлителей):

= R0/(rз · η),

где:з =2

Ом - сопротивление заземлителя согласно требования «Правил устройства электроустановок».

η - коэффициент экранирования, препятствующий полному растеканию тока с каждого заземлителя. Значение η выбирается из таблицы: η =0.68.

Тогда:= 41.5/2·0.68=14.

. Сопротивление соединительной полосы:

,

где:П - длина соединительной полосы,- ширина полосы (b = 0.005 м),- глубина заложения (t0= 0.6 м),

ηИ - коэффициент использования полос (ηИ = 0-4).

Длина полосы: lП = 1.05·d·n, где:- расстояние между трубами,- количество труб.П = 1,05·6·14= 88.2м. Тогда:П=5.9 Ом.

ОБЩ=1.96 Ом

.96 Oм < 4 Oм.

Рассчитанное заземление удовлетворяет требованиям «Правил устройства электроустановок»

3. Защита окружающей среды от воздействующих факторов

Помимо сохранения здоровья и обеспечения нормальных условий труда одной из важнейших задач является проблема защиты окружающей среды.

Множество разработанных технологий и появление новых видов продукции привели к увеличению количества токсичных примесей, поступающих в окружающую среду. В связи с этим любое решение в технике и технологии должно приниматься с учетом экологических аспектов.

3.1 Характеристика выбросов в атмосферу

Средства защиты атмосферы должны ограничивать наличие вредных веществ в воздухе среды обитания человека на уровне не выше ПДК.

Соблюдение этих требований достигается локализацией вредных веществ в месте их образования, отводом из помещения и ли от оборудования и рассеиванием в атмосфере. Если при этом концентрация вредных веществ в атмосфере превышает ПДК, то применяют очистку выбросов от вредных веществ в аппаратах очистки, установленных в выпускной системе. Наиболее распространены вентиляционные, технологические и транспортные выпускные системы.

На практике реализуются следующие варианты защиты атмосферного воздуха:

вывод токсичных веществ из помещений общеобменной
вентиляцией;

локализация токсичных веществ в зоне их образования местной
вентиляцией, очистка загрязненного воздуха в специальных
аппаратах и его возврат в производственное или бытовое помещение,
если воздух после очистки в аппарате соответствует нормативным
требованиям к приточному воздуху;

локализация токсичных веществ в зоне их образования местной
вентиляцией, очистка загрязненного воздуха в специальных
аппаратах, выброс и рассеивание в атмосфере;

очистка технологических газовых выбросов в специальных
аппаратах, выброс и рассеивание в атмосфере; в ряде случаев перед
выбросом подходящие газы разбавляют атмосферным воздухом;

очистка отработавших газов энергоустановок, например двигатели
внутреннего сгорания специальных агрегатов, и выброс в атмосферу или производственную зону (рудники, карьеры, складские помещения).

При изготовлении кремневых подложек для ИС воздух, выводимый из цеха, содержит пыль, образующуюся при механической обработке плат, вредные пары и газы, образующиеся при проведении операции фотолитографии по тонким пленкам.

Для очистки воздуха от пыли применяют различные пылеуловители, фильтры.

Очистка воздуха от вредных паров и газов осуществляется следующими методами:

метод адсорбции;

метод абсорбции;

метод хемосорбции;

поглощение примеси путем катализа;

термическая нейтрализация;

биохимический метод.

В соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.3.02-78 «Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями» для каждого проектируемого и действующего промышленного предприятия устанавливаются ПДВ вредных веществ в атмосферу при условии, что выбросы вредных веществ от данного источника в совокупности с другими источниками (с учетом перспективы их развития) не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК.

3.2 Характеристика сточных вод

При изготовлении ИС в сточные воды могут попасть: твердые частицы, растворимые и органические примеси.

Очистка сточных вод от твердых частиц осуществляется процеживанием, отстаиванием, отделением в поле действия центробежных сил.

Очистка от органических примесей осуществляется в основном биохимическими методами, которые реализуют в естественных и искусственных сооружениях. На рабочих участках производства ТПГ вода после очистки поступает снова в производство по замкнутому циклу. И только 10 % используемой воды после очистки поступает на слив в сточные воды.

Качество сточных вод должно соответствовать « Санитарным правилам и нормам охраны поверхностных вод от загрязнения».

3.3 Расчет фильтра

При получении тонких пленок на кремниевых пластинах возможны выбросы в атмосферу ацетона и аммиака. Свойства веществ, загрязняющих окружающую среду при проведении химической обработки перед напылением пленок приведены в таблице 2.

Таблица 2

Предельно-допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе при химической обработке кремниевых пластин.

Для очистки газовых выбросов от указанных загрязняющих веществ необходимо использование фильтров.

Используются фильтры с фильтрующим материалом ФП (фильтр Петрянова) марки Д - 33 кл. Назначение этого фильтра - окончательная очистка технологических газовых выбросов высокотоксичных производств. Для этой цели в фильтре применяют фильтрующие материалы марки ФПП-15-3 и ФПП-25-3.

Цифры 15 и 25 в марке материала соответствуют среднему диаметру волокон - 1,5 и 2,5 мкм, соответственно. Материалы ФПП -15 и ФПП-25 имеют электростатический заряд, что повышает их фильтрующие свойства.

Сопротивление фильтрующего материала условно обозначается цифрами, расположенными после марки в кгс/ м3 .

Возможна регенерация сухих фильтров тонкой очистки после забивания пылью. Фильтры предназначены для длительной непрерывной работы сроком от 0,5 до 3 лет (в зависимости от выбранной номинальной удельной нагрузки) с последующей заменой либо всего фильтра, либо только фильтрующей среды.

Фильтрующая поверхность фильтра (F, м2) определяется по формуле:

где Q - рабочая нагрузка (производительность) фильтра (в м3/ч);- номинальная удельная нагрузка, м3/ч· м2;=75 м3/ч· м2= 2475/75 = 33 м2.

Параметры установленного фильтра на технологическую установку сведены в таблице 3:

Таблица 3. Параметры выбранного фильтра

Глава 4. Экономический расчет

. Технический анализ объекта проектирования

Таблица 4

Сравнительная технико-экономическая характеристика проектируемого изделия и базовой модели сравниваемого изделия

2. Экономический анализ

Расчет капитальных затрат

Капитальные затраты - это единовременные затраты, связанные с реализацией технического решения.

В общем случае капитальные затраты, связанные с эксплуатацией изделий электроники определяются по формуле :

, [1]

где  - первоначальная стоимость изделия, определяемая по формуле:

 , [2]

где Ц- цена изделия, руб.;

- затраты на доставку изделия и установку на месте эксплуатации (рассчитываются в размере 10% от цены изделия), руб.

Км=300+30=330 руб

Кпр.пом.- стоимость производственного помещения, занимаемая изделием , определяемая по формуле, руб.:

µ ·Sпл. ·h ·Цзд. , [3]

µ - коэффициент, учитывающий дополнительную площадь на проходы, проезды, при Sпл = 20м2 - µ = 1,0,пл - занимаемая площадь, соответствующая предельным габаритам изделия, м2;- высота помещения;

Цзд - стоимость 1м3 помещения (6000 -9500 руб/м3).пр.пом=1*3*3*6500=58500 руб

К=330+58500=58830 руб

Капитальные затраты при создании стендов для испытаний изделий определяются по формуле

Кстенд.= Sсм + Кпр.пом. , [4]

где Sсм - сметная стоимость стенда, определяемая суммой расходов по соответствующим статьям затрат.

Кстенд=1000+58500=59500 руб

Расчет себестоимости и цены проектируемого изделия

Себестоимость изделия - это издержки предприятия на его изготовление и реализацию.

При расчете себестоимости на стадии дипломного проектирования могут быть использованы следующие методы расчета:

·      по калькуляционным статьям затрат ;

·        приближенного расчета.

Расчет себестоимости по калькуляционным статьям затрат

Наиболее точное значение себестоимости может быть получено расчетом себестоимости по калькуляционным статьям затрат.

В таблице 1 приведена схема расчета калькуляции полной (коммерческой ) себестоимости .

Таблица 5

Калькуляция себестоимости единицы продукции

1                Материалы основные    

Нрi - норма расхода материалов i-ого вида

Цi - цена материалов i-ого вида- номенклатура используемых материалов

5                Полуфабрикаты собственного производства        

где - норма п/ф i-го вида

- производственная себестоимость п/ф i-го вида

Итого: материальные затраты. 428.5 рублей

6                Основная зарплата производственных рабочих  

Счас i - часовая тарифная ставка рабочего на i-ой операции;

Тi - трудоемкость обработки на i-ой операции, н/ч;- количество операций техпроцесса.

  9            Расходы по эксплуатации и содержанию оборудованию

КРСО - коэффициент расходов по содержанию и эксплуатации оборудования

10             Цеховые накладные расходы     

Итого: цеховая себестоимость. 25828 рублей

11             Заводские накладные расходы  

Итого: производственная (заводская) себестоимость.

Таблица 6

Расчет стоимости материалов, покупных полуфабрикатов и комплектующих изделий

Основная заработная плата производственных рабочих рассчитывается исходя из трудоемкости работ по изготовлению изделия и часовых тарифных ставок соответствующих разрядов работ

Таблица 7

Расчет основной заработной платы производственных рабочих

Расчет цены проектируемого изделия

Оптовая цена изделия определяется по формуле

 , [6]

где . - полная себестоимость изделия, руб.;

Р - плановый уровень рентабельности продукции, принимается по данным завода-изготовителя (30%).

Ц=9825*13.2=129690

Общая формула расчета технологической себестоимости:

, [7]

где  - заработная плата обслуживающего персонала.

Заработная плата обслуживающего персонала определяется исходя из условий оплаты труда в соответствии с численностью обслуживающих рабочих, тарифными ставками или должностными окладами.

При тарифной оплате труда величина заработной платы определяется по формуле:

, [8]

где  - величина заработной платы за год, руб.;

 - коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату, ориентировочно равен 1,15-1,20;

 - коэффициент, учитывающий начисления на заработную плату, с 01.01.2005 - 1,26;

 - эффективный годовой фонд рабочего времени одного рабочего, час.;

- часовая тарифная ставка соответствующего разряда рабочего, руб.;

- численность рабочих i-го разряда , чел.;

- количество разрядов рабочих.(з/пл)=1.2*1.26*8784*300*2*6=47813068.8 р

Заработная плата обслуживающего персонала, исходя из годового объема трудозатрат, определяется по формуле:

, [9]

где - суммарный годовой объем трудозатрат, чел/час;

 - среднечасовая оплата обслуживающего персонала, руб.=1.2*1.26*2500*300=1134000

При окладной системе оплаты труда величина заработной платы определяется по формуле:

, [10]

где - месячный оклад работника, руб.;

 - число месяцев в году;

- численность работающих с j-м окладом , чел.;

 - количество работников.=20000*12*10*1.2*1.26=3628800

 - амортизационные отчисления рассчитываются исходя из первоначальной стоимости изделия и действующих норм амортизации.

, [11]

где - сумма годовых амортизационных отчислений, руб.;

- первоначальная стоимость изделия, она соответствует капитальным затратам на его внедрение;

 - норма амортизации. Норма амортизации устанавливается в соответствии с проектным сроком эксплуатации изделия. Нормы амортизации устройств, зданий, контрольно-измерительной аппаратуры принимаются в соответствии с существующими нормативами (7-14%%).=300*(30/100)=90

 - стоимость потребляемой энергии может быть исчислена по формуле:

 , [12]

где  - суммарная потребляемая мощность, кВт;

- коэффициент использования мощности, включая холостой ход работы;

- стоимость 1квт/час энергии, руб.;

- действительный фонд рабочего времени оборудования за год , час.=15.175*2*3.66*250=27770.25 р

 - стоимость вспомогательных материалов включает затраты на вспомогательные материалы, смазочные и охлаждающие, обтирочные материалы рассчитываются в соответствии с их нормой расхода и стоимостью:

 , [13]

где  - цена вспомогательных материалов, руб.;

 - годовая норма расхода в принятых единицах измерения=1319*2=2638

 - затраты на ремонт определяются по формуле:

, [14]

где - средняя стоимость одного ремонта, руб.=100*3=300

По результатам расчета капитальных затрат и эксплуатационных расходов составляется таблица

Таблица 8

Капитальные затраты и эксплуатационные расходы по вариантам

тыс.руб.

1. Заработная плата обслуживающего персонала

.8

Расчет показателей экономической эффективности проектного решения

Экономическое обоснование выбора варианта технических и организационных решений возможно использованием статических и динамических методов.

Статические методы приемлемы в случаях, когда реализация решения не связана с длительными сроками и можно допустить, что в течение этого периода экономические условия (цены, тарифные ставки и др.) существенно не меняются.

В этом случае выводы об экономической эффективности сопоставляемых вариантов технических решений основываются на расчете одного из показателей:

коэффициента сравнительной экономической эффективности;

срока окупаемости дополнительных капитальных затрат;

годового экономического эффекта.

Коэффициент сравнительной экономической эффективности -  показывает величину экономии на эксплуатационных затратах в течение года, приходящуюся на 1 рубль дополнительных капитальных затрат, рассчитывается по формуле:

 , [15]

где  - годовые эксплуатационные затраты по сравниваемым вариантам;

 - капитальные затраты по сравниваемым вариантам.=18123/370=48.98

Условие приемлемости варианта с большими капитальными затратами:

, [16]

где - нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности. Выбор значения  предоставляется самому студенту. Ориентировочно  можно принять равным банковской процентной ставке по депозитным счетам (15-18%%).н=8.81

Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат - это время в годах, в течение которого экономия на эксплуатационных расходах становится равной дополнительным капитальным затратам, рассчитывается по формуле:

. [17]

=370/18123=0.0204

Условие приемлемости варианта с большими затратами:

 , [18]

где  - нормативный срок окупаемости, может быть рассчитан на основе соотношения:

 . [19]

нор=49.01

Годовой экономический эффект -  это разница приведенных затрат по сопоставляемым вариантам.

Приведенные затраты - это сумма эксплуатационных и капитальных затрат, приведенных к одной размерности:

. [20]

Сприв=47894774.81

Годовой экономический эффект по решению, принимаемому в дипломном проекте, определяется по формуле:

 , [21]

Э=[18123-8.81*( -370)]*3600=769777

где  - планируемый объем годового выпуска проектируемых изделий.

На основании выполненных расчетов можно сделать вывод о том, что реализация выпускной квалификационной работы экономически целесообразна в производственных условиях.

Выводы

.Выбран новый состав магнитного материала для достижения высококоэрцитивного состояния.

.Достигнутый уровень коэрцитивной силы 105 Э больше, что было достигнуто в предыдущей работе, но не достаточно для удовлетворения требований заказчика.

.Определен диапазон температур, при котором происходит дисперсионное твердение магнитных пленок выбранного состава.

.С помощью конфокального микроскопа исследованы возможные дефекты в магнитных пленках - определено, что возможно образование кластеров трещин.

Заключение.

Проведенные работы показывают возможные направления последующих исследований: возможно получение высокоэрцитивных состояний магнитных пленок с сохранением целостности пленок и подложек посредством напыления многослойных пленок, со слоями металлов, обладающих большим относительным удлинением.

Список использованной литературы

1.Лившиц Б.Г., Крапошин В.С, Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. - 2-е. - М.: Металлургия, 1980. - С. 86-89. - 318 с

. Бонч-Бруевич В. Л., Звягин И.П , А. Г. Миронов, Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках, «Наука», М., 1972

. Савельев И.В. Курс общей физики: Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1998. Кн.2. §7.9.

. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М., 1981г

. Богородицкий Н.П.,Пасынков В.В. Электротехнические материалы . Энергия, 1977г.

. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т.1, 2. Принципы функционирования основных изделий микромагнитоэлектроники. 2001г

.Е.Б. Баскаков, П.С. Захаров, В.С. Зайончковский, Л.Ю. Фетисов. Свойства тонких магнитных пленок, полученных методом магнетронного напыления 2013г.

. Макеев М.О, Смирнов Ю.А, Зайончковский В.С, Быков П.А. Исследование толщин и однородности выращивания пленок диоксида кремния методом ИК-спектральной эллипсометрии. «Наноинженерия» 2015, март

9. Баскаков Е.Б., Зайончковский В.С., Быков П.А. Образование кластеров трещин в приграничных областях тонких пленок сплавов fe-Cr-Co. -  Наукоемкие технологии в приборо - и машиностроении. <http://conference.bmstu-kaluga.ru/uploads/userfiles/april_2015_tom_3.pdf> и развитие инновационной деятельности в вузе, Материалы, Том 3, стр. 7-8, 2015-05-24

.Трошкина В.А. Способ термообработки сплавов системы Fe-Cr-Co. 1994г