Лекции по ТКМ. Порядок выполнения работы

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.

Для изменения основных свойств металла, пластика, керамики или других материалов может проводиться процесс металлизации. Вакуумная металлизация – один из наиболее распространенных методов напыления металла, за счет чего образуется защитная поверхность с определенными свойствами, несвойственными подложке. Рассмотрим особенности технологии вакуумной металлизации подробнее.

Технологический процесс вакуумной металлизации

Рассматриваемый метод обработки деталей применяется достаточно давно. Вакуумная металлизация – процесс, основанный на испарении и выпадении конденсата материала на подложку. Среди особенностей данного процесса следует отметить нижеприведенные моменты:

1. Универсальность и высокая эффективность метода определяет его большое распространение. В будущем ожидается более обширное применение процесса металлизации полимерных и других материалов. Развитие рассматриваемого метода обработки связывают с совершенствованием используемого оборудования. Так современные вакуумные установить позволяют автоматизировать процедуру металлизации деталей, повысить качество получаемых поверхностей, снизить себестоимость получаемых изделий. Единственное препятствие на пути развития данной отрасли – высокая стоимость современного оборудования и возникающие сложности при его установке, использовании и обслуживании.
2. Технологический процесс вакуумной металлизации достаточно сложен, на результате отражается условие проведения каждого этапа. При нагреве материала, который должен стать будущим покрытием, он претерпевает большое количество изменений. Примером можно назвать то, что изначально покрытие испаряется, затем происходит адсорбция, после чего выпадение конденсата и кристаллизация для закрепления слоя на поверхности.
3. На качество получаемого результата оказывает воздействие достаточно большое количество факторов, среди которых отметим физико-химические качества подложки, выдерживаемые условия проведения металлизации.
4. Образование напыляемого покрытия при металлизации происходит в два основных этапа: перенос энергии и массы от источника к поверхности и их распределение по всей подложке.

Установка для вакуумной металлизации

Технология вакуумной металлизации подходит для обработки самых различных деталей. В качестве примера можно привести рулонные материалы из пластика или пластмассы.

Типовая технология состоит из нескольких основных этапов:

1. Подготовка детали к проводимому процессу. Среди требований, которые предъявляются к детали можно отметить отсутствие острых кромок и скрытых участков от прямолинейного попадания конденсата. Вакуумная металлизация пластмасс или других материалов возможна только в том случае, если фора заготовки не сложная.
2. Обезжиривание и сушка. Некоторые материалы могут содержать большое количество адсорбированной влаги, к примеру, полимеры. Сушка проводится при температуре около 80 градусов Цельсия, время выдержки составляет 3 часа. Обезжиривание уже проводится в вакуумной камере на подготовительном этапе. Технология обезжиривания предусматривает разматывание рулона и воздействие тлеющего разряда. Как показывают результаты проведенных исследований, выполнение отжига на стадии подготовки полимеров благоприятно сказывается на структуре рассматриваемого материала, так как существенно снижается показатель внутреннего напряжения. Вакуумная рулонная металлизация должна проводится с исключением вероятности образования складок на этапе подготовке заготовки, так как их можно назвать дефектов.
3. Этап активационной обработки поверхности. Вакуумная металлизация пластика и других материалов предусматривает активацию поверхности. При этом могут использоваться самые различные методы активации, выбор которых зависит от качеств самого материала. Данный процесс предназначен для повышения показателя адгезии поверхности.
4. Нанесение вещества на поверхность. В большинстве случае вакуумная металлизация алюминия или другого сплава проходит при применении резистивного метода испарения при условии воздействия температуры. Вольфрамовая технология испарения применяется намного реже, так как предусматривает нагрев среды до небольшой температуры, в результате чего испаритель разрушается за минимальные сроки.
5. Заключительный этап касается контроля качества металлизации. Если наносимый слой носит декоративный характер, то в большинстве случаев контроль качества заключается в регистрации оптических свойств. Кроме этого уделяется внимание равномерности напыления, прочности соединения поверхностного слоя и структуры.

Результат вакуумной металлизации

Технология вакуумной металлизации пластмасс и других материалов сложна, для получения качественной поверхности нужно соблюдать все условия обработки.

Область применения вакуумной металлизации

При рассмотрении области применения данной технологии отметим, что она может применяться для покрытия следующих материалов:

1. пластика;
2. алюминия;
3. различных полимеров;
4. стекла;
5. керамики;
6. металлов.

Наибольшее распространение получила металлизация пластмассовых изделий. Это связано с тем, что подобным образом изделие из дешевого пластика приобретает более привлекательный вид.

Если нужно сэкономить на производстве, но при этом обеспечить высокие декоративные качества, проводится напыление алюминия или других металлов.

Примером назовем изготовление деталей автомобилей, которые используются при отделке салона. Китайские и японские автопроизводители давно начали применять рассматриваемую технологию для удешевления своих автомобилей. При этом применение вакуумной металлизации проводится не только в декоративных целях, за счет более высокой прочности поверхностного слоя детали служат дольше, снижается степень трения. Однако металлизация не позволяет повысить прочность всего полимерного изделия.

Данная технология применяется и при производстве различных вещей, применяемых в быту, недорогих украшений. Большое распространение связано с тем, что поверхностный слой не истирается на протяжении длительного периода эксплуатации. Ранее применяемые технологии напыления не предусматривали создание высокой адгезии между подложкой и декоративным покрытием.

Преимущества вакуумной металлизации

У данной технологии есть довольно большое количество преимуществ:

1. Возможность автоматизации процесса. Как ранее было отмечено, устанавливаемое оборудование позволяет максимально автоматизировать рассматриваемый процесс, за счет чего снижается вероятность появления дефектов из-за ошибки человека.
2. Получаемая поверхность будет равномерной, что обеспечивает привлекательный вид и высокие эксплуатационные качества детали. Как правило, после металлизации поверхность полимеров напоминает шлифованный металл.
3. При соблюдении технологии напыления поверхностный слой может прослужить в течении многих лет. Этап контроля качества позволяет исключить вероятность откалывания поверхностного напыляемого слоя или его быстрое истирание.
4. Подобным образом можно придать изделию самые различные качества: коррозионную стойкость, электрическую проводимость, уменьшить степень трения, повысить твердость поверхности. В большинстве случаев вакуумная металлизация применяется для декорирования деталей.
5. Основные эксплуатационные качества подложки остаются практически неизменными. Нагрев материала при этапе просушки проходит до температуры, которая не приведет к перестроению его структуры.
6. Технология может применяться на финишном этапе изготовления детали. При правильном выполнении всех этапов проводить доработку обрабатываемых деталей не нужно.

Если рассматривать недостатки, то следует отметить сложность процесса перехода напыляемого вещества из одного состояния в другой. Обеспечить требуемые условия можно исключительно при установке специального оборудования. Поэтому своими руками провести вакуумную металлизацию с обеспечением высокого качества поверхности практически не возможно.

В заключение отметим, что даже небольшая толщина металлического слоя на полимерном покрытии способна придать полимерам металлический блеск и электропроводность, защитить структуру от воздействия солнечного света и атмосферного старения. При этом создаваемый слой может иметь толщину всего несколько долей миллиметра, за счет чего вес изделия остается практически неизменным. Кроме этого вакуумная металлизация позволяет получить совершенно уникальный материал, который будет обладать гибкостью и легкостью, а также свойствами, которые присущи металлам.

Навигация:

Процесс вакуумного напыления состоит из группы методов напыления покрытий (тончайших плёнок) в вакуумной сфере, при каких компенсация выходит действием непосредственного конденсирования пара, причиняемого элемента.

Существуют следующие этапы вакуумного напыления:

• Выработка газов (пара) с компонентов, производящих возмещение;
• Транспортировка паров к подложке;
• Накопление паров в подложке и создание напыления;

К перечню методов напыления вакуумным способом относятся приведенные ниже научно-технические движения, а помимо этого быстрые типы этих операций.

Перечень методов термо-напыления:

• Испарение при помощи гальванического луча;
• Испарение при помощи лазерного луча.

Испарение вакуумной дугой:

• Сырье выпаривается в катодном пятнышке, за это отвечает электрическая дуга;
• Эпитаксия при помощи молекулярного луча.

Ионное рассеивание:

• Первоначальные сырьевые материалы распыляются бомбардировкой ионным потоком и воздействуют на подложку.

Применение

Вакуумное возмещение применяют с целью развития в плоскости компонентов, устройств и механизмов эксплуатационных покрытий - проводников, изолянтов, износостойких, коррозионно-стабильных, эрозийно-устойчивых, антифрикционных, антизадирных, барьерных и прочих. Данные манипуляции используются с целью нанесения украшающих покрытий, к примеру, при сборке часовых механизмов с позолоченной поверхностью и покрытие оправы для очков. Единый из основных операций микроэлектроники, где применяется с целью нанесения проводящих слоев (металлизации). Вакуумное возмещение используется с целью извлечения оптических покрытий: просветляющих, отражающих, фильтрующих.

В научно-техническую область способен быть внедрён химико активный газ, к примеру, ацетилен (с целью покрытий, вводящих углерод), неметалл, воздушное пространство. Хим. отклик в плоскости подложек запускается нагреванием, либо ионизацией и диссоциацией газов одной из конфигураций газового строя.

Благодаря использованию методов вакуум напылений обретают покрытие толщина которого может составлять несколько ангстрем либо достигать многих микрон, как правило в следствии нанесения напыления поверхность не требует дополнительного обрабатывания.

Методы вакуумного напыления

Судьба каждой из крупиц напыляемого компонента при соударении с поверхностью, составляющие пребывает в зависимости от ее энергии, температуры плоскости и хим. сродства элементов пленки и составляющих. Атомы или молекулы, достигнувшие плоскости, имеют все возможности либо отразиться с нее, либо адсорбироваться и через конкретный период времени, покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и создавать в плоскости конденсат (уплотнитель). При высоких энергиях крупиц, высокой температуре плоскости и незначительном хим. сродстве, элемент отражается поверхностью. Температура плоскости детали, больше которой все частицы отражаются с нее и слой не сформируется, называется серьезной температурой напыления вакуумного, её значимость пребывает в зависимости от естества элементов пленки и плоскости составляющих, и от состояния плоскости. При крайне небольших потоках испаримых элементов, в том числе и в случае если данные частицы в плоскости адсорбируются, однако редко встречаются с другими аналогичными частицами, они десорбируются и не могут создавать зародышей, то есть слой совершенно не возрастает. Серьезной частотой потока испаримых компонентов с целью данной температуры плоскости называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и образовывают покров.

Вакуумно-плазменное напыление

Согласно этому методу нетолстые пленки толщиной 0,02-0,11 мкм получаются в следствии нагрева, улетучивания и осаждения компонента на подложку в отделенной камере при сжатом давлении газа в ней. В камере с помощью вакуумного насоса создается наибольшее воздействие остаточных газов приблизительно 1,2х10-3 Па.

Рабочая камера подразумевает собой металлический или стеклянный колпак с концепцией наружного водяного остужения. Камера расположена в центральной плите и создает с ней вакуумно-защищенное соединение. Подложка, в которой ведется напыление, закреплена на держателе. К подложке прилегает нагреватель, раскаливающий подложку вплоть до 2400-4400 оС, с целью улучшения адгезии напыляемой пленки. Конденсатор включает в себя нагреватель и источник напыляемого компонента. Переходная заслонка закрывает протекание паров с испарителя к подложке. Возмещение длится в процессе времени, когда затворка не захлопнута.

Для нагрева напыляемого компонента в основном используется 2 типа испарителей:

• Прямонакальный многопроволочный либо двухленточный теплообменник, изготовляемый с вольфрама или молибдена;
• Электронно-радиальные испарители с нагревом испаримого компонента гальванической бомбардировкой.

Для напыления пленок с многокомпонентых элементов применяется взрывное улетучивание. При этом конденсатор нагревается вплоть до 15000 оС и посыпается порошком из смеси испаримых элементов. Аналогичным методом удаётся приобретать композиционные напыления.

Некоторые популярные элементы для покрытий (к примеру, золото) располагают некачественной адгезией с кремнием и другими полупроводниковыми элементами. В случае низкокачественной адгезии испаримого элемента к подложке, испарение прокладывают в 2 пласта. Сначала поверх подложки наносят пласт сплава, имеющего отменную адгезию к полупроводниковой подложке. Затем напыляют главный слой, у которого присоединение с подслоем ранее отличное.

Ионно-вакуумное напыление

Данный метод заключается в распылении элемента причиняемого компонента, присутствующего перед негативным потенциалом, из-за бомбардировки ионами бездейственного газа, возникающих в процессе возбужденности тлеющего разряда внутри установки вакуумного напыления.

Материал отрицательно заряженного электрода распыляется пред влиянием ударяющихся о него ионизованных атомов бездейственного газа. Данные пульверизированные переходные атомы и осаждаются поверх подложки. Главным преимуществом ионно-вакуумного метода напыления является отсутствие необходимости нагрева испарителя вплоть до высокой температуры.

Механизм возникновения перетлевающего разряда. Разлагающийся разряд отслеживается в камерах с низким давлением газа между 2-я металлическими электродами, на которые подается высокое напряжение вплоть до 1-3 кВт. При этом негативный электрод как правило заземлен. Катодом является мишень с распыляемого элемента. С камеры предварительно откачивается воздушное пространство, далее запускается газ вплоть до давления 0,6 Па.

Тлеющий разряд получил свое название из-за наличия в мишени (катоде) так называемого тлеющего сияния. Это сиянье обуславливается большим падением способности в тесном пласте объёмного заряда около катода. К зоне TC прилегает область фарадеевого тёмного места, переходящая в положительный столбец, что является самостоятоятельной частью разряда, совершенно непригодной с прочих слоев разряда.

Вблизи анода, помимо этого, имеется небольшой слой объёмного заряда, называемый анодным слоем. Другой элемент межэлектродного промежутка захвачен квазинейтралом плазмы. Подобным методом, в камере отслеживается растровое свечение с чередующихся тёмных и светлых полос.

Для прохождения тока между электродами необходима устойчивая эмиссия электронов катода. Эту эмиссию разрешается вызвать согласно принуждению с помощью нагрева катода, или облучения его ультрафиолетовым светом. Подобного рода разряд является несамостоятельным.

Вакуумное напыление алюминия

В отдельных вариантах, в особенности при напылении пластмассы, используется металлизация алюминием, а этот металл — сырье достаточно легкое и никак не износостойкое, в этом случае нужны определенные специальные научно-технические способы. Пользователю необходимо понимать, что аналогичные компоненты лучше всего беречь от загрязнения сразу же по истечении штамповки, а помимо этого, нежелательно пользоваться различными смазывающими порошками и присыпками в пресс-фигурах.

Вакуумное напыление металлов

Металлы, которые могут испаряться только при температуре ниже зоны их плавления, разрешается прогревать прямоточным воздействием тока, серебряные и золотые компоновки испаряют в челночных ваннах с танталовой или вольфрамовой. Возмещение требуется производить в камере под давлением меньше 10-3 mm рт. ст.

Вакуумное ионно-плазменное напыление

Для возникновения самостоятельного тлеющего разряда необходимо вызвать эмиссию электронов с катода с помощью подачи высокого напряжения величиной 2-4 кВт между электродами. В случае если заложенное напряжение превышает способности ионизации газа в камере (как правило Ar), в этом случае, в следствии столкновений электронов с молекулами Ar, газ ионизируется с образованием положительно заряженных ионов Ar+. В следствии, в области катодного черного пространства возникает небольшой зрительный разряд и следовательно, сильное электрическое поле.

Ионы Ar+, приобретающие энергию в предоставленной зоне, выбивают атомы элемента катода, в тот же момент, провоцируя эмиссию побочных электронов с катода. Эта эмиссия и сохраняет самостоятельный тлеющий разряд. Переходные атомы с элемента катода доходят подложки и осаждаются на ее плоскости.

Установка вакуумного напыления УВН

Конструкция вооружена значимым комплексом современных приборов и устройств, что гарантируют осаждение покрытий металлов их синтезов и сплавов с учрежденными особенностями, отличной адгезией и высокой равномерностью согласно части площади.

Комплекс устройств и приборов, что входят в структуру аппарата:

• Полуавтоматический источник управления вакуумной системой;
• Магнетронная распылительная теория в стабильном токе;
• Концепция нагревания (с контролем и поддержанием поставленной температуры);
• Концепция очистки напыляемых товаров в области перетлевающего разряда;
• Концепция перемещения продуктов в вакуумной сфере;
• Числовой вакуумметр;
• Концепция контроля противодействия возрастающих пленок;
• Инверторный источник питания магнетронов.

Вакуумные системы, это комплекс взаимосвязанных элементов, обеспечивающих создание и поддержание заданного разрежения в определенном объеме. Все вакуумные системы разделяются по степени разрежения на системы низкого, высокого и сверхвысокого вакуума.

Навигация:

Кроме того, вакуумные системы

Основные компоненты вакуумных систем:

вакуумный насос или установка, обеспечивающие откачку газовой среды;

трубопроводы, связывающие между собой компоненты вакуумных систем;

емкость, сосуд или другой замкнутый объем, в котором создается разрежение;

различная запорная арматура и предохранительные устройства;

система датчиков, осуществляющих передачу данных о состоянии системы;

контролер, обеспечивающий управление всей системой на основании полученной от датчиков информации.

Некоторые элементы из перечисленных выше могут отсутствовать, все зависит от конкретных требований, предъявляемых к системе. Кроме того, могут дублироваться некоторые или даже все элементы, обеспечивая непрерывное поддержание заданного разрежения. Полностью автоматическая вакуумная система способна самостоятельно подключать дополнительные модули в работу, управлять запорной арматурой и постоянно поддерживать необходимую степень разрежения в заданных объемах.

Чертежи вакуумных систем в каждом конкретном случае разрабатываются с учетом требований заказчиков и должны соответствовать требованиям НТД. Они являются неотъемлемой частью любого проекта, учитывают все переменные факторы и разрабатываются обученными специалистами.

В качестве примера можно привести медицинские вакуумные системы, отключение которых может оказаться фатальным во время хирургической операции. Каждый датчик вакуумной системы такого типа обязательно дублируется, часто применяется полное дублирование системы и автономное питание. Автоматическая вакуумная система поддерживает необходимое разрежение, включая и выключая насосы, откачивающие воздух согласно показаний датчиков.

Основное применение вакуумные системы получили для:

создания условий химических реакций в химической, нефтяной промышленности и исследовательских лабораториях;

производства линз в оптике;

вакуумной упаковки продуктов в пищевой промышленности;

дегазации расплавов в металлургических плавильных печах;

обработки электротехнических плат в электронике;

обеспечения работы отсасывающих кровь устройств и производства некоторых препаратов в медицине;

напыления различных по структуре и несмешиваемых материалов в автомобильной промышленности;

создания вакуума в доильных аппаратах сельскохозяйственных предприятий.

Арматура для вакуумных систем различается на запорную, предохранительную и регулирующую. Некоторые виды регулирующей арматуры могут заменять запорную при необходимости. К запорной арматуре относится большинство вакуумных и обратных клапанов, имеющих 2 положения и обеспечивающих только отсекание (проход) рабочей среды, регулирующие и предохранительные устройства.

Рабочий макет вакуумной установки, применяемый для обучения студентов:

Вакуумная установка (напыление)

Вакуумные установки, применяемые для напыления, бывают периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Для массовой и серийной обработки деталей, применяются вакуумные установки непрерывного действия. Установки периодического и полунепрерывного действия могут иметь несколько загружаемых рабочих камер или одну, загружаемую несколькими позициями. Процесс напыления можно разбить на несколько операций:

• загрузка деталей и герметизация рабочей камеры;
• создание необходимого разрежения;
• испарение или распыление напыляемого материала;
• термическая обработка напыления;

Вакуумное напыление получило применение при изготовлении различных электронных плат, нанесении тонировки на стекла автомобилей и металлизации некоторых пластиков. Обычно вакуумные установки для напыления имеют в своей конструкции следующие элементы:

• герметизируемое замкнутое пространство (рабочая камера);
• источник испарения или распыления напыляемых материалов;
• создающей разрежение системы, в которую входит насос и трубопроводы со всей запорной, регулирующей и предохранительной арматурой;
• датчики, соединенные с управляющей процессом системой;
• транспортера или другого подающего устройства;
• дополнительных устройств (фильтров, манипуляторов, приводов, фильтрующих установок).
• Вакуумное напыление может осуществляться с помощью:
• катодного распыления материалов (электрический ток подается на распыляющийся катод, а так как деталь выполняет роль анода, распыленный материал напыляется на него);
• магнетронного распыления;
• ионно-плазменного распыления катодов;

Так как при повышении температуры поверхности обрабатываемой детали происходит отторжение наносимых частиц, поэтому очень важным является правильно организованное охлаждение. В зависимости от применяемого для создания разрежения оборудования, получает название вся установка. Например, вакуумная установка водокольцевая означает применение водокольцевых насосов при откачке газов из рабочей камеры.

Существует множество вакуумных установок, отличающихся принципом нанесения напыления, применяемым типом вакуумных насосов, степенью автоматизации, объемом и другими элементами. В качестве примера можно привести вакуумные установки УВ-24С, УВ-947, Булат-3Т, УВН-15, Магна 2М, Оратория-9 и множество других на их основе.

Схема вакуумной установки для магнетронного напыления металлов:

Оборудование вакуумных систем (арматура, фланцы, датчики)

Наиболее распространенной ошибкой при конструировании вакуумных систем является усложнение проекта и наличие множества лишних элементов. Это могут быть как лишние задвижки, повлекшие дополнительные места для герметизации, датчики, расположенные в неудобных местах и постоянно разрушаемые, фланцы, установленные там, где можно было обойтись цельной конструкцией.

Производители вакуумного оборудования в большинстве случаев изготавливают оборудование, отвечающее требованиям заказчика по производительности, максимально возможному разрежению и скорости откачки. На высокопроизводительных системах установка лишних элементов может вызвать их разгерметизацию и не обеспечить срабатывание предохранительных устройств. Поэтому, следует учесть, что вакуумная система, сконструированная непрофессионально, может быть не только неудовлетворяющей условиям эксплуатации, но и опасной для обслуживающего персонала.

Вся арматура, используемая при монтаже вакуумных систем, должна полностью соответствовать условиям эксплуатации и изготавливаться с применением соответствующих технологий. Производство вакуумного оборудования должно быть основным направлением работы предприятия, поставляющего все элементы системы.

Датчик для работы в глубоком вакууме:

Вакуумная техника (техника создания и поддержания вакуума)

Вакуумная и компрессорная техника имеют во многом сходные свойства. Довольно часто производители компрессорного оборудования изготавливают вакуумные системы и их элементы. Производство вакуумной техники основано на дополнительных методах обработки оборудования, достижению максимальной герметизации систем.

Технологии создания и поддержания вакуума совершенствовались с течением времени. На данный момент вакуумная наука и техника позволяют создавать разрежение, соответствующее глубокому космическому вакууму.

Вертикальные и горизонтальные вакуумные насосы:

Вакуумные насосы (виды и применение)

Существует несколько применяющихся видов вакуумных насосов. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, что обеспечивает свою сферу применения.

Водокольцевой насос получил свое название из-за того, что разрежение в вакуумной системе создается при помощи постоянного кольца воды в рабочей плоски. Вал насоса расположен со смещением, благодаря чему с одной стороны насоса лопасти проходят вплотную к корпусу (не задевая его), а с противоположной стороны имеется значительное расстояние до стенки.

При вращении лопасти рабочего колеса захватывают жидкость(воду), закручивая ее в виде кольца. Действующие при этом силы трения вызывают нагрев жидкости, поэтому вода в кольце постоянно подменяется свежей. Так как отсос газа происходит с помощью водяного кольца, то большинство абразивных загрязнений откачиваемой среды отфильтровывается и выходит чистый газ.

Такие насосы очень просты в обслуживании, производят быструю откачку газов, нетребовательны к их составу, но не могут создавать глубокое разрежение, что ограничивает их применение в промышленности.

Схема работы водокольцевого насоса:

Где точка Н показывает место наивысшего сжатия откачиваемого газа (подсоединение выпускного патрубка), В – вход в насос, К – водяное кольцо.

Пластинчато-роторный насос осуществляет откачку газов за счет эксцентрично расположенного по отношению к корпусу вала. На валу имеются специальные отверстия, в которые установлены пружины. Под действием пружин лопасти постоянно прижимаются к корпусу, образуя герметичные по отношению друг к другу камеры. При вращении ротора каждая камера меняет свой объем от минимального (при этом происходит максимальное сжатие находящихся в ней газов) до максимального (создавая при этом разрежение). Для того, чтобы уменьшить трение пластин о корпус, применяется специальное масло.

Сфера применения ограничена, так как требуется фильтрующее устройство, гарантирующее отсутствие абразивных частиц в откачиваемых газах и в исходящих газах присутствуют пары масел.

Схема работы пластинчато-роторных насосов:

Форвакуумный насос может быть различного типа, например, роторно-пластинчатым, водокольцевым, золотниковым. Главной задачей таких насосов является максимально быстрое создание форвакуума (предварительного разрежения) для обеспечения работы насосов, обеспечивающих высокое разрежение. Это связано с тем, что некоторые модели насосов имеют незначительную скорость откачки при нормальном атмосферном давлении и им требуется максимально возможное разрежение для создания глубокого вакуума.

В качестве второй ступени в форвакуумных насосах применяются турбомолекулярные, паромасляные диффузные и другие виды насосов.

Насосы Рутса осуществляют откачку газовых смесей благодаря наличию двух, вращающихся синхронно, роторов. Один из роторов получает вращательное движение от двигателя, а другой приводится в действие шестеренчатой передачей, обеспечивающей синхронность вращения. Конструкция позволяет создавать даже высокое разрежение, но требует обязательной очистки поступающего в рабочую камеру газа.

Схема работы 2-хкулачкового (поз «а») и 3-хкулачкового (поз «б») насосов Рутса.

 Вакуумное напыление основано на создании направленного потока частиц (атомов, молекул, кластеров) наносимого материала на поверхность изделий и их конденсации.
Процесс включает несколько стадий: переход напыляемого вещества или материала из конденсированной фазы в газовую, перенос молекул газовой фазы к поверхности изделия, конденсацию их на поверхность, образование и рост зародышей, формирование пленки.
 Вакуумное напыление - перенос частиц напыляемого вещества от источника (места его перевода в газовую фазу) к поверхности детали осуществляется по прямолинейным траекториям при вакууме 10 -2 Па и ниже (вакуумное испарение) и путем диффузионного и конвективного переноса в плазме при давлениях 1 Па (катодное распыление) и 10 -1 -10 -2 Па (магнетронное и ионно-плазменное распыление). Судьба каждой из частиц напыляемого вещества при соударении с поверхностью детали зависит от ее энергии, температуры поверхности и химического сродства материалов пленки и детали. Атомы или молекулы, достигшие поверхности, могут либо отразиться от нее, либо адсорбироваться и через некоторое время покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и образовывать на поверхности конденсат (конденсация). При высоких энергиях частиц, большой температуре поверхности и малом химическом сродстве частица отражается поверхностью.
 Температура поверхности детали, выше которой все частицы отражаются от нее и пленка не образуется, называется критической температурой напыления вакуумного; ее значение зависит от природы материалов пленки и поверхности детали, и от состояния поверхности. При очень малых потоках испаряемых частиц, даже если эти частицы на поверхности адсорбируются, но редко встречаются с другими такими же частицами, они десорбируются и не могут образовывать зародышей, т.е. пленка не растет. Критической плотностью потока испаряемых частиц для данной температуры поверхности называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и формируют пленку.
 Структура напыленных пленок зависит от свойств материала, состояния и температуры поверхности, скорости напыления. Пленки могут быть аморфными (стеклообразными, например оксиды, Si), поликристаллическими (металлы, сплавы, Si) или монокристаллическими (например, полупроводниковые пленки, полученные молекулярно-лучевой эпитаксией). Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений пленок, повышения стабильности их свойств и улучшения адгезии к поверхности изделий сразу же после напыления без нарушения вакуума производят отжиг пленок при температурах, несколько превышающих температуру поверхности при напылении. Часто посредством вакуумного напыления создают многослойные пленочные структуры из различных материалов.
 Напыление вакуумное используют в планарной технологии полупроводниковых микросхем, в производстве тонкопленочных гибридных схем, изделий пъезотехники, акустоэлектроники и др. (нанесение проводящих, диэлектрических, защитных слоев, масок и др.), в оптике (нанесение просветляющих, отражающих и др. покрытий), ограниченно - при металлизации поверхности пластмассовых и стеклянных изделий, тонировании стекол автомобилей. Методом напыления вакуумного наносят металлы (Al, Au, Cu, Cr, Ni, V, Ti и др.), сплавы (например, NiCr, CrNiSi), химические соединения (силициды, оксиды, бориды, карбиды и др.).

 
Рис. П2.1.

 Для вакуумного напыления используют технологическое оборудование периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Установки периодического действия осуществляют один цикл нанесения пленок при заданном числе загружаемых изделий. Установки непрерывного действия используют при серийном и массовом производстве. Они бывают двух видов: многокамерные и многопозиционные однокамерные. Первые состоят из последовательно расположенных напылительных модулей, в каждом из которых осуществляется напыление пленок определенных материалов или их термическая обработка и контроль. Модули объединены между собой шлюзовыми камерами и транспортирующим конвейерным устройством. Многопозиционные однокамерные установки содержат несколько напылительных постов (расположенных в одной вакуумной камере), соединяемых транспортным устройством конвейерного или роторного типа. Основные узлы и системы установок для вакуумного напыления представляют собой самостоятельные устройства, выполняющие заданные функции:
 ·создание вакуума;
 ·испарение или распыление материала пленок;
 ·транспортировка и осаждение покрытия;
 ·контроль режимов вакуумного напыления и свойств пленок;
 ·электропитание.

 Установки вакуумного напыления

 Вакуумная установка резистивного напыления серии DV-502B (Рис. П2.2.) (данная установка является настольной)

Рис. П2.2.

 Установка ВАТТ1600-4ДК (Рис. П2.4.) предназначена для нанесения комбинированного покрытия, которое может состоять из слоя металла, слоя соединения этого металла (оксид, нитрид, карбид) и слоя SiOx.

Рис. П2.3.

 Применяя различные соединения титана возможно получать различные оттенки золотого, синего, зеленого, черного и некоторых других цветов (Рис. П2.4.). Покрытия можно наносить на листы нержавеющей стали с любой обработкой поверхности: зеркальной, шлифованной, декоративной текстурированной или обычной матовой. Габариты вакуумной установки позволяют напылять листы размером 1500х3000 мм. Листы после напыления могут быть покрыты самоклеющейся защитной пленкой. Стоимость напыления – от 700 руб./кв.м.

 

Рис. П2.4. Применение вакуумного напыления.

Нержавеющая сталь:

 Для вакуумного напыления нитридом титана используют подложку из нержавеющей стали.
 ·элегантность и изящество в отделке;
 ·коррозионная стойкость, устойчивость к воздействию атмосферных воздействий;
 ·соответствие самым строгим гигиеническим требованиям;
 ·легкость ухода и долговечность;
 ·термостойкость и пожаробезопасность;
 ·отличное сочетание с другими отделочными материалами (стекло, пластик, дерево, камень).

Технические характеристики:

 ·Материал подложки - сталь нержавеюшая, 08Х18Н10 (AISI 304);
 ·Толщина подложки 0,5мм – 1,5 мм;
 ·Покрытие нитрид титана, толщина 0,2-6 мкм;
 ·Цвет покрытия - различные оттенки золотого;
 ·Светорассеивание - от зеркального до матового;
 ·Механические свойства - допускает многократный изгиб и холодную штамповку;
 ·Атмосферостойкость - не менее 50 лет.

Метод получения материала

 Покрытие на нержавеющей стали TIN, TiO2 и TiON получено методом ионно-плазменного напыления в вакуумной камере.
 Листы нержавеющей стали, после предварительной обработки, которая обеспечивает высокую отражающую способность покрытия, помещаются в герметичную вакуумную камеру. Во время процесса напыления в камере создается глубокий вакуум, который обеспечивает заданный цвет и стойкость покрытий.
 При ионно - плазменном напылении ионы плазмы, обладающие высокой энергией, выбивают с поверхности титанового листа атомы титана, которые в свою очередь, проходя через высокоразреженное облако азота или кислорода, окисляясь, внедряются в материал подложки.
 Такой процесс обеспечивает хорошие адгезионные и декоративные свойства покрытия.
 Технологии вакуумного напыления являются чрезвычайно энергозатратными, и во многих странах превращаются в нишевой продукт. Многие компании заменяют вакуумное напыление на более производительное и менее затратное атмосферное плазменное напыление.
 Качества и свойства материала:
 Высокая атмосферная и антикоррозионная стойкость декоративного покрытия подтверждена сертификатом соответствия ГОСТ №СХ02.1.3,0040 от 18.09.96г. и составляет 50 лет в условиях городской атмосферы;
 Цвет может быть достигнут любой, но технологический процесс отлажен под три основных цвета: имитирующий цвет золота - покрытие TiN, синий - покрытие TiO2, имитирующий цвет свежей меди - покрытие TiON;
 Отражающая способность покрытия - 60-70%;

Области применения:

 ·Кровля куполов церквей и крыш зданий;
 ·Наружная реклама (таблички, объемные и плоские буквы из нержавеющей стали);
 ·Декоративное оформление зданий и интерьеров помещений;
 ·Реставрация памятников культуры;
 ·Изготовление фрагментов сувениров и фурнитуры.
 Вакуумное напыление применяется для изделий как из чёрного металла так и других металлов, используются различные напыления, в том числе и под золото, серебро (Рис. П2.5.).

 

Рис. П2.5. Применение вакуумного напыления.

 Материалы покрытий:
 TiN - нитрид титана (золотисто-бронзовый,повышенной износостойкости);
 TiOx1Cx2Nx3 - карбонид титана
 Gr - хром (белый);
 TiOx - оксид титана (голубой, многоцветный, перламутровый);
 NiGr - нихром (светло-серый);
 ZrN - нитрид циркония (светло-золотистый);
 также алюминий, медь и т.д., по желанию заказчика.
 Цвет, твердость и другие параметры покрытия могут варьироваться в широком диапазоне материалов и оттенков.
 Важными характеристиками микросхем является быстродействие, электрические контакты, формат матрицы и т.д. Для повышения одного из самого важного параметра – быстродействие – требуется повысить проводимость электрических контактов. Наиболее простым способом сделать это является вакуумное напыление элементов через свободные маски. Золото обладает очень хорошей проводимостью, что дает возможность повысить скорость прохождения информации.

Микросхема PRAM-памяти компании Intel (Рис. П2.6.)

 Материал: Золото(серебро).

 
Рис. П2.6. Микросхема PRAM-памяти компании Intel

Подшипники скольжения центробежных насосов (Рис. П2.6.)

 Самой главной характеристикой подшипника является его ресурс. Для его повышения у подшипников скольжения разработана специальная технология детонационного напыления с нанесением нанопорошков. В процессе детонационного напыления получены наноструктурированные покрытия с содержанием монокарбида 62%. Испытания таких покрытий на трение и износ в воде показали, что они обладают пониженным коэффициентом трения, высокой нагрузкой заедания по сравнению с обычным покрытием из керамического порошка.
 Технологии: вакуумное напыление
 Отрасль: Электроника и Электротехника
 Материал: быстрозакаленные магнитные порошки БЗМП системы Nd-Fe-B.

Рис. П2.6. Подшипник скольжения

Высокоскоростное напыление

 Высокоскоростное газопламенное напыления по праву считается наиболее современной из технологий напыления. Твердосплавные покрытия, нанесенные методами высокоскоростного напыления, по всем статьям превосходят гальванические покрытия , процесс создания которых признан чрезвычайно канцерогенным .
 В начале 80-х годов появились установки высокоскоростного напыления, более простые по конструкции и основанные на классической схеме ЖРД, со скоростью газового потока более 2000 м/с. Плотность покрытий достигает 99%. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,0…1,5 МПа, а в конструкцию соплового аппарата вводят сопло Лаваля. На Рис. П2.7. представлена схема распылителя системы ВСН.

Рис. П2.6. Схема высокоскоростного порошкового распылителя:
1 - подача порошка (осевая); 2 - подача кислорода; 3 - подача топлива;
4 - подача порошка (радиальная); 5 - ствол.