Вакуумная металлизация - описание технологии, устройство и отзывы. Вакуумное напыление металлов

Марийский государственный технический университет

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

Вакуумное напыление

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

Основы физики твёрдого тела и микроэлектроники

Разработал: студент группы ЭВС-31

Колесников

Консультировал: доцент

Игумнов В.Н

Йошкар-Ола 2003г.

Введение

1.Термическое вакуумное напыление

1.1 Резистивное напыление

1.2 Индукционное напыление

1.3 Электронно-лучевое напыление

1.4 Лазерное напыление

1.5 Электродуговое напыление

2. Распыление ионной бомбардировкой

2.1 Катодное распыление

2.2 Магнетронное распыление

2.3 Высокочастотное распыление.

2.4 Плазмоионное распыление в несамостоятельном газовом разряде

3. Технология тонких пленок на ориентирующих подложках

3.1 Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок

3.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Тонкие пленки, наносимые в вакууме, широко применяются в производстве дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных слоев является одним из важнейших технологических процессов формирования структур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов ИМС.

Таким образом, от совершенства технологических процессов нанесения тонких пленок в значительной степени зависят надежность и качество изделий микроэлектроники, технический уровень и экономические показатели их производства.

Тонкопленочная технология базируется на сложных физико-химических процессах и применении различных металлов и диэлектриков. Так, тонкопленочные резисторы, электроды конденсаторов и межсоединения выполняют осаждением металлических пленок, а межслойную изоляцию и защитные покрытия – диэлектрических.

Важным этапом является контроль параметров тонких пленок (скорости их нанесения, толщины и ее равномерности, поверхностного сопротивления), который проводится с помощью специальных приборов, как при выполнении отдельных технологических операций, так и по завершении всего процесса.

Методы ионно-плазменного и магнетронного напыления находят широкое применение в современной микроэлектронике. Высокие скорости напыления и энергия падающих на подложку атомов в процессе напыления позволяют использовать эти методы для получения пленок различного состава и структуры, и, в частности, для низкотемпературной эпитаксии.

В настоящее время исследованиям в данной области уделяется значительный интерес.

Целью данной курсовой работы является рассмотрение основных методов напыления и распыления в вакууме, физико-химических процессов, а также описание и работа установок использующихся в данных методах.

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании (генерации) потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их концентрации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности.

Для модификации свойств поверхности твердого тела используют различные режимы ионной обработки. Процесс взаимодействия ионного пучка с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, распыления и внедрения. Превалирование того или иного физического эффекта определяется главным образом энергией E 1 бомбардирующих ионов. При Е 1 =10-100 эВ конденсация преобладает над распылением, поэтому имеет место осаждение покрытия. При повышении энергии ионов до 10 4 эВ начинает преобладать процесс распыления с одновременным внедрением ионов в металл. Дальнейшее повышение энергии бомбардирующих ионов (Е 1 >10 4 эВ) приводит к снижению коэффициента распыления и установлению режима ионной имплантации (ионного легирования).

Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме включает 3 основных этапа:

Генерация потока частиц осаждаемого вещества;

Переноса частиц в разреженном пространстве от источника до подложки;

Осаждения частиц при достижении подложки.

Существуют 2 метода нанесения вакуумных покрытий, различающихся по механизму генерации потока осаждаемых частиц: термическое напыление и распыление материалов ионной бомбардировкой. Испаренные и распыленные частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счет приложения к ней отрицательного напряжения.

Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.

Для понимания физических явлений, происходящих при нанесении тонких пленок в вакууме, необходимо знать, что процесс роста пленки на подложке состоит из двух этапов: начального и завершающего. Рассмотрим, как взаимодействуют наносимые частицы в вакуумном пространстве и на подложке.

Покинувшие поверхность источника частицы вещества движутся через вакуумное (разреженное) пространство с большими скоростями (порядка сотен и даже тысяч метров в секунду) к подложке и достигают ее поверхности, отдавая ей при столкновении часть своей энергии. Доля передаваемой энергии тем меньше, чем выше температура подложки.

Сохранив при этом некоторый избыток энергии, частица вещества способна перемещаться (мигрировать) по поверхности подложки. При миграции по поверхности частица постепенно теряет избыток своей энергии, стремясь к тепловому равновесию с подложкой, и при этом может произойти следующее. Если на пути движения частица потеряет избыток, своей энергии, она фиксируется на подложке (конденсируется). Встретив же на пути движения другую мигрирующую частицу (или группу частиц), она вступит с ней в сильную связь (металлическую), создав адсорбированный дуплет. При достаточно крупном объединении такие частицы полностью теряют способность мигрировать и фиксируются на подложке, становясь центром кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Рост кристаллитов происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц, так и в результате непосредственного осаждения частиц на поверхность кристаллитов. Возможно также образование дуплетов в вакуумном пространстве при столкновении двух частиц, которые в конечном итоге адсорбируются на подложке.

Образованием сплошной пленки заканчивается начальный этап процесса. Так как с этого момента качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки, начальный этап имеет решающее значение в их формировании. На завершающем этапе происходит рост пленки до необходимой толщины.

При прочих неизменных условиях рост температуры подложки увеличивает энергию, т.е. подвижность адсорбированных молекул, что повышает вероятность встречи мигрирующих молекул и приводит к формированию пленки крупнокристаллической структуры. Кроме того, при увеличении плотности падающего пучка повышается вероятность образования дуплетов и даже многоатомных групп. В то же время рост количества центров кристаллизации способствует образованию пленки мелкокристаллической структуры.

Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.

Вакуумная техника занимает важное место в производстве пленочных структур ИМС. Для создания вакуума в рабочей камере из нее должны быть откачаны газы. Идеальный вакуум не может быть достигнуть, и в откачанных рабочих камерах технологических установок всегда присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется давление в откачанной камере (глубина, или степень вакуума).

Сущность данного процесса нанесе6ния тонких пленок заключается в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно и при соударении с поверхностью испаряемые атомы, и молекулы конденсируются на ней.

Процесс испарения осуществляется по обычной схеме: твердая фаза – жидкая фаза – газообразное состояние. Некоторые вещества (магний, кадмий, цинк и др.) переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.

Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис.1, являются: 1 - вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 - заслонка; 3 - трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 - игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 - нагреватель подложки; 6 - подложкодержатель с подложкой, на которой может быть размещен трафарет; 7 - герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 - испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).

Основным функциональным предназначением вакуумной установки, является создание и поддержание технического вакуума, который достигается путем откачивания смеси из системы. Широкое применение вакуумным установкам находится в металлургической, текстильной, химической, автомобильной, пищевой и фармацевтической сферах. К основным деталям установки относится насос, панель с фильтрами, блок управления камера.

Навигация:

Применение вакуумных установок

Вакуумные установки могут применяться для проведения лабораторных исследований. Входит в состав микроскопов, хроматографов, испарителей и систем фильтрации. Для этих целей может подойти агрегат, который не будет занимать большую площадь. Производительность таких агрегатов не стоит на первом месте. Чаще всего это форвакуумный или турбомолекулярный насос. При работе с агрессивными газами лучший вариант – мембранный насос.

Вакуумные установки играют немаловажную роль в испытательном оборудовании. Они обеспечивают необходимую скороподъемность летательным аппаратам. Для того чтобы процесс взлета или посадки протекал успешно, необходимо обеспечить быструю скорость откачки.

Сухие насосы используются для полупроводниковых и напылительных вакуумных установок, для осаждения материалов. Отлично подойдут для создания сверхвысокого вакуума. К ним относятся турбомолекулярные и криогенные насосы.

В металлургической промышленности активно используются насосы, которые обладают достаточной пропускной способностью. Они должны быть износостойкими, так как в системе имеется пыль и грязь. Отлично справятся с задачами в промышленной сфере когтевые и винтовые насосы, выполняющие форвакуумную откачку. Возможно применение диффузионных насосов.

Вакуумная установка 976А относится к лабораторному типу. Она предназначена для определения водонасыщенности асфальтобетона в лабораторных условиях. Рабочий объем камеры составляет 2 л. Вакуумная установка способна создать конечный вакуум значением 1х10-2.

Элементы вакуумных установок

Вакуумные установки создают и поддерживают рабочий вакуум в определенном герметичном объеме. Как правило, для этого используются элементы, имеющие одинаковое предназначение в различных видах установок. В их состав входит блок управления со стойкой управления, вакуумный блок, подколпачное устройство, системы охлаждения и вакуумная система и привод подъема колпака. Вакуумная система состоит из насоса любого типа, вакуумного агрегата, трубопроводов, вакуумметра и электромагнитного натекателя.

Вакуумные установки Busch

Вакуумные установки Busch – это, в первую очередь, качественные вакуумные насосы. Компания выпускает такие установки, как пластинчато-роторная модель вакуумного насоса R5. Она отличается высоким качеством и производительностью. Предельное давления агрегата составляет от 0,1 до 20 гПа. Скорость откачки среды достигает 1800 м3/ч. Во вторую очередь – это кулачковые насосы и компрессоры. Одним из таковых является модель Mink. Широко применяется в промышленности. Особенно там, где необходимо поддержание постоянного уровня вакуума. Предельное давление составляет от 20 до 250 гПа. Скорость откачки может достигать 1150 м3/ч.

Вакуумные установки Булат

Одним из примеров установок для нанесения тонкопленочных покрытий, является модель Булат. Она производит нанесение пленки вакуумно-плазменным способом. Может производить покрытие посредствам других электропроводящих материалов. Это молибден, цирконий, нитрид и карбонитрид. Изначально модель разрабатывалась для нанесения покрытия на зубные протезы из металла. Установка включает в себя откачивающий пост, форвакуумный инструмент и соответствующее электрооборудование.

Другие производители вакуумных установок

Компания Agilent Technologies является одной из самых больших по производству вакуумного оборудования. На предприятии налажен выпуск вакуумных насосов, течеискателей, вакуумметров, вакуумных масел и других составляющих систем.

Компания Air Dimensions Inc. специализируется на массовом выпуске высококачественных насосов диафрагменного типа, которые осуществляют отбор проб коррозийных газов, а так же сухих диафрагменных компрессоров.

Компания Edwards производит лабораторную и промышленную вакуумную технику. Среди них вакуумные насосы, вакуумметры и другое вспомогательное оборудования. Славится выпуском широкого ассортимента насосов разного типа.

Установки вакуумного напыления

При помощи установки вакуумного напыления (УВН) производится покрытие различных деталей покрытиями, которые выполняют проводящие, изолирующие, износостойки, барьерные и другие функции. Данный метод является самым распространенным среди других процессов микроэлетроники, в котором применяема металлизация. Благодаря таким установкам возможно получение просветляющих, фильтрующих и отражающих покрытий.

В качестве материалов покрытия может использоваться алюминий, вольфрам, титан, железо, никель, хром и т.д. При необходимости в среду может добавляться ацетилен, азот и кислород. Активация химической реакции при нагреве, ионизации и диссоциации газа. После проведения процедуры покрытия, дополнительная обработка не требуется.

Установка УВН-71 П-3 способна производить отработку технологического напыления. Она задействована в серийном производстве различных пленочных схем. При ее помощи производится изготовление тонких пленок в условиях высокого вакуума. Применяемый метод – резистивное испарение металлов.

Вакуумная установка УВ-24 производит лабораторные испытания асфальтобетона. Помогает определить его качество. Отличительная особенность данного агрегата – наличие двух откачиваемых баков, которые соединены между собой.

Магнетронное напыление

При магнетронном напылении нанесение тонкой пленки происходит посредствам катодного распыления. Устройство, использующие данный метод, называются магнетронные распылители. Данная установка может производить напыление многих металлов и сплавов. При ее использовании в различных рабочих средах с кислородом, азотом, диоксидом углерода и т.п. получаются пленки с различным составом.

Ионное напыление

Принцип работы ионной установки в вакууме – бомбардировка твердых тел ионами. При помещении подложки в вакуум, происходит попадание атомов на нее и образуется пленка.

Другие способы напыления

Вакуумное напыление может производиться с помощью оборудования периодического и непрерывного действия. Установки с периодическим действием применяются при определенном количестве обрабатываемых изделий. В массовом или серийном производстве используются установки непрерывного действия. Существуют одно-,и многокамерные виды напылительного оборудования. В многокамерных установках напылительные модули расположены последовательно. Во всех камерах производится напыление определенного материала. Между модулями находятся шлюзовые камеры и транспортирующее конвейерное устройство. Они осуществляют операции по созданию вакуума, испарения материала пленки, транспортировку по отдельности.

Вакуумные агрегаты

Вакуумный водокольцевой насосный агрегат типа ВВН 12 производит отсасывание воздуха, неагрессивных газов и других смесей, которые не очищаются от влаги и пыли. Поступающий в установку газ не требует очистки.

Агрегат вакуумный золотниковый АВЗ 180 универсален, имеет хороший показатель предельного остаточного давления, небольшой вес и отличается быстродействием и компактностью.

Технические характеристики агрегата вакуумного золотникового АВЗ 180.

Вакуумный агрегат АВР 50 способен откачивать из вакуумных пространств воздух, неагрессивные газы, пары и парогазовые смеси. Он не предназначен для перекачивания вышеперечисленных составов из одной емкости в другую. В его состав входят два насоса: НВД-200 и 2НВР-5ДМ.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Быстрое развитие производства микроэлектронных приборов (МЭП) в последние десятилетие привело к созданию рабочего оборудования, которое возможно меньше влияло бы на процесс формирования тонких пленок и позволяло бы контролировать их параметры. В результате в настоящее время имеется большой выбор вакуумных установок, комплектующих деталей, а так же материалов и методов монтажа позволяющих решать сложные технологические задачи при изготовлении МЭП.

Процесс получения тонких пленок идет в вакуумной среде подколпачного устройства вакуумной установки. Для уменьшения давления в подколпачном устройстве можно использовать два принципа. В первом – газ физически удаляется из вакуумной камеры и выбрасывается наружу. Примером такого способа действия являются механические и пароструйные, паромасляные насосы. Другой метод откачки основан на конденсации или захвате молекул газа на некоторой части поверхности вакуумной камеры без удаления газа наружу. На данном принципе сконструированы криогенные, геттерные и геттеро - ионные насосы.

Количественной мерой переноса или способности поглощения газа насосом является его производительность (Q). Производительность зависит от давления в откачиваемом устройстве и определяется как количество газа, которое протекает через всасывающий патрубок работающего насоса в единицу времени при t = 20 0 C:

Q = Fp· P,

где Fp – быстрота откачки, л/с; P – давление откачиваемых газов, мм рт. ст.

Другой параметр, характеризующий работу насоса - быстрота откачки Fp, которая определяется как отношение производительности насоса к парциальному давлению данного газа вблизи впускного отверстия насоса:

Fp = Q/ P

Большинство вакуумных насосов имеет почти постоянную быстроту откачки в интервале нескольких порядков давления газа. Выше и ниже этой области она резко падает, поэтому откачка этим видом вакуумного насоса становится не эффективной.

При выборе насоса для вакуумной установки необходимо помнить о том, что сами насосы при определенных условиях являются источниками остаточных газов в вакуумной камере. Разные типы насосов сильно различаются между собой как по количеству, так и по природе выделяемых газов. Особенно вредны следы паров органических соединений, обусловленные применяемыми в насосах рабочими жидкостями.

К основным параметрам насоса также относиться предельное давление Pg – это то минимальное давление, которое можно получить с помощью вакуумного насоса, если сам насос газов не выделяет.

Для вращательных насосов Pg зависит от “вредного объема” насоса (то есть той части камеры сжатия, из которой не может быть вытеснен газ, поступающий из откачиваемого объекта) и давления пара веществ, например масла, применяемого для уплотнения. Для пароструйных насосов Pg зависит от скорости молекул пара в сопле, скорости молекул газа в откачиваемом объеме и от молекулярного веса газа.

Допустимое внешнее (впускное) давление – это максимально допустимое давление газа у выпускного патрубка насоса, то есть такое давление, при котором быстрота откачки все еще остается равной максимальной величине. У форвакуумных насосов, сжимающих газ до атмосферного давления, допустимое выпускное давление равно атмосферному, у высоковакуумных насосов величина допустимого выпускного давления равна форвакуумному.

Процесс откачки подколпачного устройства с объемом V и начальным давлением Pо, совершаемый любым насосом с быстротой откачки Fp и предельным давлением Pg может быть описан с помощью дифференциального уравнения, выведенного на основе закона Бойля – Мариотта. Падение давления со временем описывается следующим уравнением:

DP/dt = Fp/V(P - Pg) (1)

Решение этого дифференциального уравнения даст характеристику изменения со временем t давления P в откачиваемом сосуде.

В случае “идеального” насоса Fp = Fp max = const – характеристика насоса P является прямой линией. Быстрота откачки Fp всех технических насосов в отличие от “идеальных” зависит от давления, и поэтому временные характеристики изменения давления получают обычно не расчетным путем, то есть интегрированием уравнения 1, а определяют из эксперимента.

УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ

Вакуумная установка предназначена для создания и поддержания вакуума в рабочем объеме (подколпачном устройстве). Установка состоит из вакуумного блока и стойки управления. Конструктивно вакуумный блок (рис.1.1) представляет собой корпус 1, на котором установлено подколпачное устройство 2. На корпусе смонтированы также вакуумная система, система охлаждения, газовая система и гидропривод подъема колпака. В подколпачном устройстве устанавливается рабочее давление газов от 1·10 -3 до 5·10 -4 мм рт. ст. и производится осаждение материалов распыляемой мишени на подложке при помощи распылительного устройства.

Вакуумная система установки (рис.1.2) состоит из механического насоса НВР-5Д и вакуумного агрегата ВА-2-3Р-Н, клапанной коробки, электромагнитного натекателя, трубопроводов и датчиков для измерения давления.

Рис.1.1. Внешний вид установки: 1 – корпус; 2 – колпак; 3 – система

вакуумная; 4 – система охлаждения; 5 – механизм перемешивания;

6 – распылительное устройство; 7 – клапанная коробка; 8 – вакуумметр

Трубопроводы вакуумной системы соединяют ее с механическим насосом, подколпачным устройством и выпускным патрубком паромасляного насоса. Вентиль – натекатель предназначен для разгерметизации рабочего объема.

Управление откачивающими средствами вакуумной системы установки осуществляется блоком управления вакуумной системой.

Для запуска механического насоса необходимо включить соответствующий тумблер на панели управления. При этом срабатывает магнитный пускатель, который одним нормально-разомкнутым контактом становится на самоблокировку, а тремя другими контактами включает электродвигатель привода электромеханического насоса в вакуумном блоке.

Рис.1.2. Вакуумная система установки: 1 – механический насос НВР-5Д;

2 – нижняя рукоятка клапанной коробки; 3 – электромагнитный натекатель;

4 – верхняя рукоятка клапанной коробки; 5 – клапанная коробка;

6 – термопара; 7 – манометрический датчик; 8 – вентиль-натекатель;

9 – затвор; 10 – вакуумный агрегат типа ВА-2-3РМ; 11 – трубопроводы

Для включения механического насоса необходимо включить соответствующий тумблер на панели управления. При этом срабатывает магнитный пускатель, который

одним нормально-разомкнутым контактом становится на самоблокировку, а тремя другими контактами включает электродвигатель привода электромеханического насоса в вакуумном блоке

Включение нагревателя паромасляного насоса ЭН-1 возможно только после включения механического насоса, так как питание магнитного пускателя осуществляется через нормально разомкнутый контакт магнитного пускателя, при этом на панели управления загорается сигнальная лампа.

При помощи клапанной коробки 2 обеспечиваются все переключения вакуумной системы необходимые для работы установки. Управление клапанной коробкой выведено на переднюю стойку установки (Рис.1.1). При вытягивании верхней рукоятки механической насос откачивает рабочий объем подколпачного устройства, при вытягивании нижней рукоятки откачивается полость паромасляного насоса.

Электромагнитный натекатель расположен на клапанной коробке 5 и предназначен для напуска атмосферного воздуха в трубопровод механического насоса.

Включение электромагнитного натекателя производится переключателем “натекатель”, находящимся в блоке управления вакуумной системой. Натекатель срабатывает только в том случае, если механический насос отключен. При выдвинутой нижней рукоятке клапанной коробки этим же натекателем напускается атмосферный воздух в полость паромасляного насоса. Конструктивно натекатель представляет собой соленоид, торцовая часть которого выполнена в виде уплотнительного клапана. В натекателе есть фильтр из пористого стекла, который задерживает частицы пыли из воздуха.

Контроль вакуума осуществляется вакуумметром ВИТ-2 от датчиков, подключаемых к нему переключателем “Выбор датчика”.

При установке переключателя “Выбор датчика” в положение “1” вакуумметр измеряет низкий вакуум в форвакуумной магистрали. При установке в положение “2” измеряется высокий вакуум в подколпачном устройстве с помощью ионизационного датчика давления, при переключении в положение “0” оба датчика отключаются.

Насос вакуумный механический. Насос пластинчато-роторного типа с масляным уплотнением предназначен для откачки воздуха, химически неактивных газов и парогазовых смесей не воздействующих на материалы конструкции и рабочую жидкость. Такие насосы могут нормально откачивать конденсируемые пары и парогазовые смеси допустимой концентрации.

Процесс откачки газов в пластинчато-роторных насосах основан на механическом всасывании газа вследствие периодического увеличения рабочей камеры.

Принцип работы такого насоса иллюстрируется рисунком 1.3 и происходит следующим образом.

Рис.1.3. Пластинчато-роторный насос: 1 – цилиндр; 2 – ротор; 3 – лопатки;

4 – пружина; 5 – клапан; А и Б – полости

В цилиндре 1 в направлении, указанном стрелкой вращается эксцентрично установленный ротор 2. В прорези ротора помещены лопатки 3, которые пружиной 4 прижимаются к внутренней поверхности цилиндра. При вращении ротора лопатки скользят по внутренней поверхности цилиндра, полость, образованная цилиндром, ротором и лопатками делится на полость А и полость В.

При вращении ротора объем полости А периодически увеличивается и в нее поступает газ из откачиваемой системы; объем полости Б периодически уменьшается и в нем происходит сжатие. Сжатый газ выбрасывается через клапан 5. Уплотнение между полостями всасывания А и сжатия В осуществляется при помощи масляной пленки. Так работает насос в одноступенчатом исполнении. В двух ступенчатом исполнении выход первой ступени соединен со входом второй ступени и газ через клапан выбрасывается в атмосферу.

Все пластинчато-роторные насосы имеют подобное конструкционное исполнение, но отличаются размерами, что определяет быстроту откачки насосов. Конструкция одноступенчатого пластинчато-роторного насоса показана на рисунке 1.4.

При присоединении насоса к вакуумной системе, трубопровод должен иметь малую длину и большой диаметр, не менее диаметра входного отверстия насоса. Невыполнение этих условий ведет к уменьшению быстроты откачки насоса.

Используемый в установке механический пластинчато-роторный насос ВН-05-2 имеет следующие основные эксплуатационные характеристики:

Быстрота откачки 0,5 л/ с

Остаточное давление 5·10 -3 мм рт. ст.

Насос высоковакуумный паромасляный. Насос высоковакуумный паромасляный Н-05 предназначен для откачки воздуха, неагрессивных газов, паров

и парогазовых смесей.

Насос должен работать только совместно со вспомогательным насосом предварительного разряжения. Место паромасляного насоса в высоковакуумной системе показано на рисунке 1.5.

Широко применяемые трехступенчатые паромасляные насосы состоят из следующих основных узлов: корпуса, паропровода, электронагревателя, маслоотражателя и гидрореле. Конструкция насоса показана на рисунке 1.5.

Корпус 1 насоса представляет собой стальной цилиндр с приваренным к нему днищем, входным фланцем 2, выпускным патрубком с фланцем 3. Для установки деталей эжектора на выпускном патрубке есть заплуженный фланец 4.

Рис.1.5. Общий вид насоса: 1 – электронагреватель; 2 – паропровод; 3 – корпус; 4 – маслоотражатель; 5 – сопло; 6 – подсопельник;

7 – сопло; 8 – подсопельник; 9 – эжекторное сопло

Основная конструкционная деталь насоса – паропровод, в котором осуществляется такая циркуляция масла, при которой пары масла из кипятильника, расположенного в нижней части корпуса по паропроводящим каналам попадают в верхнее, нижнее и эжекторные сопла, выходя, откуда конденсируются на холодных стенках корпуса насоса и выпускного патрубка. Стекая в кипятильник, масло попадает сначала в участок кипятильника, связанный с последним (выпускным) соплом и лишь в последнюю очередь, проходя по лабиринту, попадает в участок, связанный с наиболее ответственным внутренним паропроводом, подающим пар в высоковакуумное сопло. Благодаря этому высоковакуумное сопло, ближайшее к откачиваемому объекту, работает только на масле, имеющем наименьшее давление насыщенного пара, а сопло, ближайшее к насосу предварительного разряжения, работает на самых легких фракциях.

Паропровод насоса трехступенчатый. Первые две ступени зонтичного типа, третья ступень – эжекторная. Пары масла из кипятильника по паропроводам попадают в сопла трех ступеней насоса и, истекая из них, образуют струи. Откачиваемый газ диффундирует в струи пара и переносится ими в область предварительного разряжения. Пар, достигнув охлаждаемой стенки насоса, конденсируется и стекает обратно в кипятильник.

Пуск насоса осуществляется в следующей последовательности:

а) включить форвакуумный насос и, открыв вентиль, откачать систему

с паромасляным насосом до давления 5·10 -2 - 1·10 -2 мм рт. ст.;

б) пустить воду для охлаждения корпуса насоса;

в) включить электронагреватель паромасляного насоса.

Для остановки насоса включить электронагреватель насоса и подать воду для охлаждения дна. После остывания насоса перекрыть вентиль, выключить форвакуумный насос и прекратить подачу воды.

Основные характеристики паромасляного насоса:

Предельное остаточное давление не более 5·10 -7 мм рт. ст.

Быстрота откачки Fp 500 л/ с

Максимальное выпускное давление не менее 0.25 мм рт. ст.

Натекание атмосферного воздуха не более 0.02 л×мм рт. ст./с

Марка масла ВМ-1 ГОСТ 7904-56

предварительного разряжения ВН-2МГ или НВР-5Д

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить установку, для чего автомат “сеть” переводится в положение “Вкл.”.

2. Включить механический насос переводом ручки переключателя в положение “Вкл.”.

3. Откачать объем паромасляного насоса, открыть нижний клапан клапанной коробки.

4. Включить нагреватель паромасляного насоса тумблером “Вкл.”.

5. Через 35 – 40 минут после включения нагревателя паромасляного насоса включить азотный питатель.

6. После прогрева паромасляного насоса закрыть нижний клапан и произвести предварительную откачку подколпачного объема, открыв верхний клапан клапанной коробки.

7. Снять и построить характеристику P(t) при откачке на механическом насосе для этого в течение одного часа фиксировать показания термопарного вакуумметра через каждые 10 минут. Данные свести в таблицу и начертить кривую P(t).

8. Снять и построить характеристику P(t) для диффузионного насоса. Опыт провести также как и в пункте 7.

9. Оценить возможности обоих насосов при достижении уровня предварительного вакуума: механического в течение 40 минут, высоковакуумного – в течение 1 часа.

10. Дать заключение о предварительном вакууме, который можно получить при предложенной системе откачки.

11. Полученные при эксперименте данные привести в виде таблиц и графиков.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как классифицируется вакуум. Объяснить принцип работы установки вакуумного напыления, назначение узлов.

2. Объяснить правильную последовательность включения и выключения вакуумных насосов в вакуумной установке. Объяснить, чем ограничен предельный вакуум, который можно получить на такой установке.

3. Объяснить работу паромасляного насоса.

4. Объяснить работу механического насоса.

5. Объяснить принцип измерения вакуума и работу термоэлектронного и ионизационного датчиков.

6. Объяснить назначение и работу вентиля – натекателя.

7. Объяснить принцип действия и устройство азотной и электромагнитной ловушек.

8. Прокомментировать полученные вакуумные характеристики установки.

Здравствуйте, друзья.

Итак, история началась немного ранее, когда у нас появилась вакуумная камера. Путь её к нам был неблизок и может быть описан отдельным рассказом, но это, как говорится, «совсем другая история». Скажу только, что ещё раньше она приносила людям какую-то пользу в одной из лабораторий Гёттингенского университета.

Первое, на чём мы начали эксплуатировать вакуумную камеру, стало испробывание способа термического осаждения металлов на подложки. Способ прост и стар, как мир. В молибденовый тигель помещается мишень распыляемого металла, например, серебра. Вокруг него размещён нагревательный элемент. Мы использовали проволоку из вольфрамрениевого сплава, которую наматывали в виде спирали.

Полностью устройство для термического напыления выглядит следующим образом:

Оснастка для термического напыления металлов. а. В сборе (защитный экран и задвижка сняты). Обозначения: 1 – тигель, 2 – нагревательный элемент, 3 – паропровод, 4 – токоподвод, 5 – термопара, 6 – рамка для образца.

После пропускания тока (в вакуумную камеру идёт через гермовводы) спираль раскаляется, нагревает лодочку, в которой также нагревается материал мишени и испаряется. Облако металлического пара поднимается по паропроводу и окутывает тело, на которое необходимо осадить металлическую плёнку.

Сам по себе способ простой и хороший, однако есть и минусы: большое энергопотребление, трудно располагать в облаке пара поверхности (тела), на которые нужно осаждать плёнку. Адгезия тоже не самая лучшая. Наносили на разные материалы, в том числе на металлы, стекло, пластик и др. В основном - для исследовательских целей, поскольку мы только осваивали вакуумное оборудование.

Теперь настал черёд рассказать про вакуумную систему. Эксперименты мы проводили в вакуумной камере, оснащенной вакуумной системой, состоящей из роторного форвакуумного и турбомолекулярного насоса и обеспечивающей остаточное давление 9,5 10 -6 – 1,2 10 -5 мм.рт.ст.
Если на первый взгляд кажется, что она не сложная, то на самом деле это не так. Во-первых, сама камера должна иметь герметичность, необходимую для поддержания высокого вакуума. Это достигается применением герметизации всех функциональных фланцев и отверстий. Верхний и нижний фланцы-крышки имеют такие же, по-принципу, резиновые уплотнения, как и самые малые отверстия, предназначенные для установки окон, датчиков, устройств, гермовводов и др. фланцевых крышек, только диаметром гораздо большим. Например, для надежной герметизации такого отверстия

Требуется фланец, прокладка и крепеж, как на этой фотографии.

Вот этим датчиком производится измерение вакуума в камере, сигнал с него поступает на прибор, который показывает уровень высокого вакуума.

Вакуум необходимого уровня (например 10-5 мм.рт.ст.), достигается следующим образом. Вначале форвакуумным насосом откачивается низкий вакуум до уровня 10-2. По достижении этого уровня включается высоковакуумный насос (турбомолекулярный), ротор которого может вращаться со скоростью 40 000 об/мин. При этом форвакуумный насос продолжает работать - он откачивает давление из самого турбомолекулярного насоса. Последний является довольно капризным агрегатом и его «тонкое» устройство и сыграло определенную роль в этом повествовании. Мы используем японский турбомолекулярный насос фирмы Osaka vacuum.

Откачиваемый из камеры воздух с парами масла рекомендуется сбрасывать в атмосферу, поскольку мелкодисперсные капельки масла могут «забрызгать» все помещение.

Разобравшись с вакуумной системой и отработав термическое напыление мы решили опробовать другой способ нанесения пленок - магнетронный. У нас был длительный опыт общения с одной крупной лабораторией, которая нам наносила функциональные нанопокрытия для некоторых наших разработок как раз способом магнетронного напыления. Кроме того у нас имеются довольно тесные связи с некоторыми кафедрами МИФИ, МВТУ и других вузов, которые также помогали нам освоить эту технологию.

Но со временем мы захотели использовать побольше возможностей, которые предоставляет вакуумная камера.

В скором времени у нас появился небольшой магнетрон, который мы и решили приспособить для нанесения пленок.

Именно магнетронный вакуумный метод напыления тонких металлических и керамических пленок считается одним из самых производительных, экономичных и простых в эксплуатации среди всех физических методов напыления: термического испарения, магнетронного, ионного, лазерного, электронно-лучевого. Магнетрон устанавливается в один из фланцев, как удобно для использования. Однако для напыления этого еще недостаточно, поскольку он требует подведения определенного напряжения, охлаждающей воды, а также газов для обеспечения поджига плазмы.

Теоретический экскурс

Упрощённо, магнетрон устроен следующим образом. На основании, которое одновременно служит магнитопроводом, помещены сильные магниты, которые образуют сильное магнитное поле. С другой стороны магниты закрываются металлической пластиной, которая служит источником распыляемого материала и называется мишенью. На магнетрон подается потенциал, а на корпус вакуумной камеры - земля. Разница потенциалов, образуемая между магнетроном и корпусом камеры в условиях разряженной атмосферы и магнитного поля приводит к следующему. Атом плазмообразующего газа аргона попадает в действие силовых линий магнитного и электрического поля и ионизируется под их действием. Выбившийся электрон притягивается к корпусу камеры. Положительный ион притягивается к мишени магнетрона и, разогнавшись под действием силовых линий магнитного поля, ударяется о мишень, выбивая из нее частицу. Та вылетает под углом обратным тому углу, под которым в мишень попал ион атома аргона. Частица металла летит от мишени в сторону расположенной напротив нее подложки, которая может быть сделана из любого материала.

Наши вузовские друзья изготовили для этого магнетрона DC источник питания на мощность порядка 500 Вт.

Также мы соорудили систему газонапуска для плазмообразующего газа аргона.

Для размещения предметов, на которые будут напыляться плёнки, мы соорудили следующее приспособление. В крышке камеры имеются технологические отверстия, в которые можно устанавливать разные приспособления: гермовводы электроэнергии, гермовводы движения, прозрачные окошки, датчики и прочее. В одно из этих отверстий мы установили гермоввод вращающегося вала. Снаружи камеры на этот вал мы подвели вращение от небольшого электромоторчика. Установив скорость вращения барабана порядка 2-5 герц мы добились хорошей равномерности нанесения плёнок по окружности барабана.

Снизу, т.е. внутри камеры, мы укрепили на вал лёгкую металлическую корзину, на которую можно навешивать предметы. В канцелярском магазине такой стандартный барабан продаётся как корзина для мусора и стоит порядка 100 рублей.

Теперь у нас было в наличии практически всё необходимое для напыления плёнок. В качестве мишеней мы использовали следующие металлы: медь, титан, нержавейку, алюминий, сплав медь-хром.

И начали пылить. Через прозрачные окна в камеру можно было наблюдать свечение плазмы на поверхности мишени магнетрона. Так мы контролировали «на глазок» момент поджига плазмы и интенсивность напыления.

Способ контроля толщины напыления придумали достаточно простой. Размещали на барабане один и тот же кусочек фольги с замеренной площадью поверхности и измеряли его массу до и после сеанса напыления. Зная плотность напыляемого металла легко вычисляли толщину наносимого покрытия. Регулировали толщину покрытия либо изменением времени напыления, либо регулируя напряжение на источнике питания магнетрона. На этом фото видны прецизионные весы, позволяющие замерять массу образцов с точностью до десятитысячных долей грамма.

Наносили мы на различные материалы: дерево, металлы, фольга, пластики, бумага, полиэтиленовые плёнки, ткани, короче на всё, что можно было разместить в камере и прикрепить к барабану. В основном мы ориентировались на получение эффектов декоративного характера – изменение цвета или тактильного восприятия поверхности. На этих образцах органического и неорганического происхождения можно увидеть разницу в цвете до и после нанесения различных металлических плёнок.

Ещё более рельефно разница в цвете до и после напыления видна на тканях и плёнках. Здесь правый кусочек обычной полиэтиленовой плёнки – не напыленный, а левая покрыта слоем меди.

Ещё один эффект, который может быть использован для различных нужд – это проводимость тонких плёнок на подложках. На этом фото показано сопротивление кусочка бумаги (в омах), на который нанесена плёнка из титана толщиной чуть больше микрона.

Для дальнейшего развития мы выбрали несколько направлений. Один из них – улучшать эффективность напыления плёнок магнетронами. Собираемся «замахнуться» на собственную разработку и изготовление более мощного магнетрона высотой с камеру и мощностью в 2 раза больше, чем показанный в этом очерке. Также мы хотим опробовать технологию реактивного напыления, когда вместе с плазмообразующим газом аргоном в камеру подаются, например, кислород или азот и в ходе напыления плёнок на поверхности подложки образуются не чисто металлические плёнки, а оксиды или нитриды, которые имеют другой спектр свойств, нежели чистые металлические плёнки.

Обработка поверхностей методом вакуумного напыления металлами позволяет усилить положительные характеристики изделий из различных материалов. Металлические детали защищаются от коррозии, лучше проводят электричество, становятся более эстетичными внешне. Металлизация пластиковых изделий позволяет получить качественные и красивые детали из более легких и дешевых материалов. Это особенно актуально для автопромышленности, потому как металлизация пластиковых комплектующих позволяет значительно снизить вес автомобилей. А металлизированный мех придает шубе эксклюзивность, неповторимость и является новым трендом сезона.

В компании «Альфа-К» можно заказать вакуумное металлическое напыление для изделий из различных материалов, в том числе и меха.

Методы

Суть технологии заключается в том, что в условиях вакуума на специальном оборудовании переносятся мельчайшие металлочастицы на рабочую поверхность заготовки. В процессе формирования покрытий исходный металл испаряется, конденсируется, абсорбируется и кристаллизуется в газовой среде, создавая стойкое покрытие. В зависимости от типа заготовки, свойств металлической пленки и выбранного режима напыления получаются самые разнообразные эффекты. Напылить можно практически любой металл: алюминий, никель, хром, медь, бронза, золото, титан, пр. С учетом специфических свойств и особенностей, под каждый металл требуются различные режимы и технические приемы. Например, из-за низкой износостойкости особой технологии требует вакуумное напыление алюминия. Вот почему в нашей компании работают исключительно высококвалифицированные и опытные специалисты. Металлизация проводится разными способами.

Вакуумно-плазменное

В таких системах под неким давлением газа металлизированное покрытие создается путем сильного нагрева источника металла, вследствие чего происходит его испарение, и частицы оседают на заготовку. Камера может быть металлической, стеклянной, обязательно с системой водяного охлаждения. Для нагревания напыляемого элемента используют такие испарители:

• проволочный либо ленточный вольфрамовый или молибденовый испаритель прямого накала;
• электронно-радиальный, создающий нагрев с помощью электрической бомбардировки.

В соответствии с исходным металлом или сплавом, который необходимо напылить на деталь, выставляется температура нагрева в теплообменнике, она может достигать 20 тыс. °С. Если у напыляемого металла не очень хорошая адгезия с материалом заготовки, сначала наносится первичный слой из металла с более высокими адгезионными свойствами.

Ионно-вакуумное

Главным преимуществом данного метода считается отсутствие необходимости очень сильно нагревать испаритель. Металл распыляется под воздействием бомбардировки отрицательно заряженными ионами газа. Создание такой среды возможно благодаря особым разрядам внутри рабочей камеры. Для этого в оборудовании используется магнитная система с охлаждением. Тлеющий разряд для распыления напыляемого элемента создается между 2 электродами благодаря подаче высоковольтного напряжения до 4 кВ. В рабочей камере создается газовая среда с давлением до 0,6 Паскаль. По схожему принципу производится также вакуумное ионно-плазменное напыление на специализированном оборудовании.

Поверхности, пригодные для напыления

Любые предметы, способные выдерживать нагрев до 80 °С и воздействие специализированных лаков. Достоинством технологии является то, что для придания изделиям эффекта медных покрытий, зеркального хромирования, золочения, никелирования не нужно предварительно полировать поверхности. Чаще путем вакуумной металлизации покрывают детали из пластика, стекла, металлических сплавов, различные полимерные и керамические изделия. Реже, но все же технология используется для более мягких материалов, таких как древесина, текстиль, мех.

Обработка металлических заготовок и изделий из металлосплавов благодаря хорошей совместимости основания и покрытий не требует использования дополнительных расходных материалов. В то время как полимеры необходимо грунтовать предварительно защитными и адгезионными составами. Для предотвращения деформации полимерных заготовок и снижения напряжения в рабочей среде во время вакуумной металлизации используют специальные модифицирующие компоненты и режимы диффузии материала.

Этапы металлизации

Технологический процесс вакуумного напыления металла на различные изделия включает несколько последовательных этапов:

• Подготовка детали. Важно, чтобы заготовка имела максимально простую форму, без труднодоступных для оседания конденсата мест.
• Нанесение защиты. На полимерные основы, содержащие низкомолекулярные наполнители, необходимо нанести антидиффузионное покрытие.
• Сушка. В течение 3 часов детали сушатся при 80 градусах по Цельсию, что позволяет удалить впитавшуюся влагу.
• Обезжиривание. В вакуумной камере с помощью тлеющего разряда заготовка обезжиривается. Это особенно хорошо влияет на структуру полимеров.
• Активационная обработка. Способ обработки выбирается в зависимости от материала изделия, необходимо это для повышения адгезии поверхности перед металлизацией.
• Напыление металла. Путем конденсации создается металлизированный слой на заготовке.
• Контроль качества покрытия. Декоративные детали осматриваются на предмет равномерности напыления и его прочности. Технические изделия испытываются дополнительно с помощью липкой ленты, ультразвуковых колебаний, трения и т.д.

Установки металлизации - довольно сложное и дорогое оборудование, потребляющее много электричества. Для создания комплексного технологического цикла требуется довольно просторное помещение, так как разместить следует несколько разнофункциональных устройств. Основные узлы вакуумной системы:

• Блок энергообеспечения и управления в совокупности с источником конденсируемых металлов.
• Газораспределительная система, создающая вакуумное пространство и регулирующая потоки газов.
• Рабочая камера для проведения вакуумной металлизации.
• Блок термического контроля, управления толщиной и скоростью напыления, свойствами покрытий.
• Транспортирующий блок, отвечающий за изменение положения заготовок, их подачу и изъятие из камеры.
• Устройства блокировки узлов, газовые фильтры, заслонки и прочее вспомогательное оборудование.

Магнетронное и ионно-плазменное вакуумное оборудование бывает разных габаритов, от небольших, с камерами в несколько литров до весьма крупных, с объемом камер в несколько кубических метров.

Компания «Альфа-К» располагает достаточными производственными мощностями и соответствующим оборудованием для обеспечения различных способов вакуумного напыления. У нас можно заказать ионно-плазменное покрытие изделий из любых материалов такими металлами, как титан, медь, алюминий, латунь, хром, различные сплавы и пр. Гарантируем высокое качество работы и лояльные цены.