Как мы осваивали вакуумное магнетронное напыление плёнок. Устройство установки вакуумного напыления

Вакуумное напыление – принцип работы и технология вакуумного плазменного напыления. Наиболее распространенные методы вакуумного напыления. Ионно вакуумное напыление и принцип его работы. Процесс вакуумного напыления алюминия и его эффективность. Главные особенности вакуумного напыления металла и его отличие от вакуумно ионно плазменного напыления металла. Где можно окупить установку вакуумного напыления по низкой цене

Вакуумное напыление – это процесс, в котором на данном этапе нуждается большая часть современных предприятий. Используется данный метод зачастую на тех производствах, которые занимаются выпуском различной продукции, каким-то образом связанной с дальнейшей эксплуатацией.

Это может быть, как обычное оборудование, так и зубные изделия, которые также нуждаются в процессе вакуумного напыления. Как бы это странно не звучало, но именно медицинская отрасль является одним из тех направлений, где процесс вакуумного напыления используется чаще всего. Использовать в данной отрасли, его можно, как в роли улучшения свойств оборудования для работы, так и в роли покрытия различных материалов, либо же изделий.

Установка вакуумного напыления – это одна из наиболее важных составляющих данного процесса. Мало кто будет спорить с тем, что именно установка вакуумного напыления позволяет производить данный процесс, причем делать это довольно быстро. Принцип работы подобных установок максимально прост. Изначально, внутри подобных систем создается состояние первичного разрежения, которое позволяет превратить кристаллический порошок в специальную смесь, которую можно в дальнейшем наносить на разные покрытия. Далее, внутри установки значительно поднимается уровень давления, что приводи к активному образованию вакуума внутри системы. Далее, вакуум производит процесс, вспрыскивания напыления, которое сразу же оседает на нужном материале, который и будет поддаваться такой обработке.

Еще один очень важный вопрос – это надежность данного процесса. Судя по конструкции и принципу работы подобных установок, не трудно понять, что сделаны, они максимально продумано. Но нельзя исключать и вероятность поломок подобного оборудования. Но даже такая ситуация не окажется столь сложной, ведь подобное оборудование, является вполне ремонтопригодным и довольно легко поддается починке.

Методы вакуумного напыления

Учитывая тот факт, что современный рынок включает в себя огромное количество разнообразных отраслей, было принято решение, сделать сразу несколько методов вакуумного напыления. Все они уникальны и работают по совершенно разному алгоритму.

Сейчас мы рассмотрим наиболее распространенные методы вакуумного напыления:

Вакуумное ионно плазменное напыление
Вакуумное плазменное напыление
Вакуумное ионное напыление

Это три наиболее часто используемых вида напыления на данный момент. Большая часть предприятий, активно использует данную технологию, получая от нее максимум пользы. А это уже говорит о том, что при желании, от данного метода действительно можно получить максимум пользы.

Вакуумно плазменное напыление

Один из наиболее часто встречающихся методов вакуумного напыления – это вакуумное плазменное напыление. Технология данного процесса максимально проста и заключается она в работе внутренней плазмы. Данный элемент служит в роли некого распределителя, позволяющего сделать процесс напыления максимально качественным.

Кроме этого, подобный метод можно похвастаться еще и точностью нанесения покрытия на изделие. А все потому, что внутри установки подобного типа, заранее создан, установлен код, по которому, подобные системы обычно и работают.

Ионно вакуумное напыление

Данный тип вакуумного напыления, максимально напоминает предыдущий. Наиболее явным отличием данной технологии. Можно назвать предварительный процесс ионизации, позволяющий значительно ускорить рабочий процесс.

Наличие рабочих ионов внутри установки вакуумного напыления, не только улучшает качество рабочего процесса, а и делает его более надежным и что немаловажно, быстрым.

Вакуумное напыление алюминия

Если же говорить о том, какой материал чаще всего поддается процессу вакуумного напыления, то наверняка это алюминий. Причиной этому, послужила сфера применения данного металла, который активно используется практически во всех отраслях.

Но во многих из них, требуется, чтобы данный метод был более прочным и надежным. Именно для этого и созданы установки вакуумного напыления алюминия. Данный процесс, является максимально легким, так как материал очень даже хорошо воздействует со смесью, которая на него наносится, во время вакуумного напыления.

Вакуумное напыление металлов

Если же говорить о процессе вакуумного напыления металла, то это еще более легкий процесс. Технология напыления металла максимально проста, из-за чего ей привыкли пользоваться все предприятия. Для качественного нанесения слоя напыления на металл, требуется лишь довести его до нужной температуры. Это и есть единственное условие, которого стоит придерживаться во время вакуумного напыления.

Многие считают, что именно это и является главным преимуществом процесса вакуумного напыления металла.

Вакуумное ионно плазменное напыление

Наиболее сложным в плане конструкции и одновременно эффективным, является процесс вакуумного ионно плазменного напыления. Данная технология, включает в себя огромное количество спорных и очень важных моментов, без которых, достичь высокого уровня эффективности уж явно не получится.

С помощью данного метода, можно без проблем производить вакуумное напыление титана, либо же вакуумное напыление стекла. А это уже говорит о том, что многофункциональность данного метода находится на максимально высоком уровне.

Установка вакуумного напыления УВН

Но какой бы вид вакуумного напыления вы не выбрали, не используя при этом установок вакуумного напыления УВН, достичь в этом, каких-либо успехов у вас вряд ли получится. На данном этапе, стоимость подобных установок находится на больно высоком уровне.

Но если говорить об их эффективности, то в этом и вовсе нет никаких сомнений. Купив себе подобный агрегат, вы сможете быть полностью уверены, что со временем, он сможет отбить все вложенные в него деньги.

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.

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.

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.

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.