Обладнання для вакуумно-конденсаційних процесів нанесення покриття

Основу вакуумно-конденсаційного нанесення покриття (ВКНП) ме­тодами фізичного осадження (Physical Vapour Deposition Processes - PVD) складає термовакуумне випробування або розпилення. Тому по типу розпилюючих пристроїв установки для ВКНП можна класифікувати таким чином:

- установки термічного випаровування;

- установки термічної сублімації у безперервному або імпульсному розряді з іонним бомбардуванням (КІБ);

- установки іонного розпилення металів або сполук.

За способом активації корпускулярного потоку часток, що напилю­ються, установки ВКНП можна класифікувати так:

- установки без активації часток;

- установки з активацією процесів іонізації газів або пари матеріа­лів шляхом використання додаткових фізичних процесів тліючого роз­ряду, постійних або змінних електричних полів, додаткових джерел емісії електронів тощо (активні методи);

- установки з активацією процесу нанесення покриття за рахунок використання реактивних газів, які дозволяють отримати відповідну тверду сполуку на поверхні, що покривається, завдяки реакції з парою металів (реактивний метод).

Крім того, установки для ВКНП класифікуються за такими ознаками:

- по режиму роботи установки: з періодичною, напівперервною і безперервною дією;

- по конструктивній компоновці установки можуть бути з вертикаль­ною (ковпаковою) та горизонтальною камерою;

- по структурному устрою установки ділять на однопозиційні і бага - топозиційні;

- по характеру відкачних пристроїв: з мастильними засобами відка­чування і безмастильними, які відповідають низьковакуумним і високо - вакуумним системам;

- по призначенню установки розподілюять на лабораторні, промис­лові для малосерійного виробництва, промислові для багатосерійного виробництва.

Принципові структурно-технологічні схеми установок для ВКНП мають такі системи, пристрої та прилади;

1) вакуумна система, яка включає робочу камеру, засоби відкачу­вання та ін.;

2) випаровуючі або розпилюючі пристрої, генератори потоку часток, які напилюються;

3) система енергоживлення;

4) системи постачання робочим газом, водяного охолодження та підігрівання;

5) транспортуючі пристрої і оснастка;

6) системи контролю та керування;

7) інші допоміжні пристрої і прибори.

Функціональна блок схема установки для ВКНП представлена на рис. 6.29.

I

і система енегропостачання

і

Рис. 6.29. Функціональна блок-схема установки для ВКНП

Компоновка установок. Установки виготовляються в однокорпус - ному виконанні або у складі декількох блоків, пов'язаних між собою ко­мунікаційними мережами.

У окремі блоки можуть бути винесені:

- робоча камера з розпилювачами;

- система енергоживлення;

- система керування.

Загальний вигляд електронно-променевої установки для ВКНП на­ведено на рис. 6.30.

Основна вимога до устаткування - надійність і високі техніко - економічні показники. Крім того, установки повинні бути зручні в експлу­атації, легко розбиратися для проведення ремонтних робіт та очистки, забезпечувати швидкість відкачування з робочої камери при мінімаль­ному потоці пари мастила з вакуумної системи. Для виготовлення устат­кування раціонально використовувати корозійностійкі сталі та інші матеріали.

Вакуумна система установок. До вакуумної системи відносять­ся: робоча камера, відкачні насоси, комунікаційні трубопроводи, запор - норегулююча апаратура, засоби вимірювання вакууму та парціального тиску, апаратура керування процесом відкачування.

Спрощена схема вакуумної системи показана на рис. 6.31. Вакуум­на система призначена для створення розрідження у камері 5 і склада­ється з механічного насоса 11 (ВНМ-7), паромастильного насоса 1 (Н-2Т), вакуумного затвора 2, клапанної коробки 8, натікачів 6, 7, 9 і трубопро-

водів 12, а також азотної пастки 4 спірального типу. Керують роботою вакуумної системи рукоятками 10; вакуумний затвор приводиться в дію ручним приводом 3.

Рис. 6.30. Схема установки для електронно-променевого напилення у високому вакуумі:

1 - місток для оператора; 2 - механізм подавання матеріалу, що розпилюється (злитків); 3 - система спостереження; 4 - допоміжна камера; 5 - допоміжні механізми; 6 — опорні металоконструкції; 7 - пульт керування; 8 - електронно - променеві гармати; 9 - вакуумна камера; 10 - вакуумні насоси

Порядок включення вакуумної системи на відкачку однаковий для всіх вакуумних систем. Спочатку включають механічний насос, що від­качує систему до тиску 1,0 Па, а потім паромастильний насос, що за­безпечує тиску системі 10'3...10"5/7а. До основних параметрів вакуумних насосів відносять: граничний вакуум, початковий тиск, максимальний випускний тиск, швидкість відкачування. Для одержання більш високого вакууму користуються азотною пасткою, пропускаючи через неї рідкий азот. Натікачі 6, 7, 9 служать дпя підтримки вакууму в заданому діапа­зоні (10'1... 10 5/7а) і для напуску повітря під ковпак і у вакуумні насоси відповідно.

Рис. 6.31. Вакуумна система установки УВН-61.

1 - паромасляний насос; 2 - вакуумний затвор; 3 - ручний привод;

4 - азотна пастка; 5 - ковпак; 6, 7, 9 — натікачі; 8 - клапанна коробка;

10 - рукоятки; 11 - механічний насос ВНМ-7Г; 12 - трубопроводи

Робоча камера призначена для безпосереднього ведення процесу напилення. Найбільш поширені камери ковпакового типу на базовій плиті. Є також кубічні з відкидними люками та циліндричні з висувною або відкидною передньою стінкою.

Залежно від призначення установки, у камері повинен підтримува­тись вакуум від 1 до 10‘5 Па.

Виготовляють камери, як правило, з корозійностійких сталей з міні­мальним газовідділенням з поверхні.

У камері розміщують розпилювач, механізми закріплення і перемі­щення виробів, екрани, заслонки, маски, датчики контролю та Інші при­строї.

На корпусі камери є люки для спостереження за процесом, патруб­ки з фланцями для з'єднання з вакуумопроводами, системами запуску робочого газу, розгерметизації камери, валами приводів та ін.

Для ущільнення використовують білу вакуумну гуму, витон, фторо­пласт, пластичні метали тощо. При робочій температурі більше 60 “С селеконову гуму.

Мідна трубка на зовнішній поверхні призначена для нагрівання ка­мери або її охолодження. У системі охолодження установки, призначе­ної для охолодження проточною водою паромастильного насосу, ковпака і розпилювачів, передбачено гідрореле, що контролює наяв­ність води у системі. Для прогріву ковпака, підковпачних пристрїв з ме­тою знегажування й усунення конденсації парів води при піднятті ковпака, в установці передбачена подача гарячої води в змійовик ковпака.

Для відкачування газів використовують вакуумні насоси двох типів: низьковакуумні (форвакуумні) та високовакуумні.

До низьковакуумних насосів відносяться насоси механічного типу з мастильним ущільненням. Найбільш поширені насоси пластинчасто - роторного типу. Форвакуумні насоси серії НВЗ забезпечують швидкість відкачування 100...500 м /ста розрідження у камері 10...10'1 Па.

В якості високовакуумних насосів переважно використовують висо­ковакуумні паромастильні агрегати типу АПВ зі швидкістю відкачування

100.. .700 м/с і залишковим тиском у камері 10'4... 10 " Па.

Основні труднощі при створенні високого вакууму викликає обрат - ний потік пари робочої рідини. Його ловлять спеціальними пастками. Пастки охолоджують рідким азотом.

Генератори потоку напилюваних часток. Генератори потоку на­пилюваних часток - розпилювачі - є найбільш відповідальними елемен­тами устаткування для вакуумно-конденсаційного напилення. Конст­руктивне виконання розпилювачів визначається способами напилення. У зв’язку з цим існує дуже велика кількість варіантів розпилювачів. Але для любого розпилювача обов’язкова наявність матеріалу, що розпилю­ється, та джерела розпилення. У більш складних схемах розпилювачів є інші елементи: джерела іонізації потоку пари, прискорювачі заряджених іонів, системи керування потоками часток сепаратори тощо.

Найбільш прості випаровувачі використовуються в установках для напилення покриття термічним випаровуванням, зокрема випаровувачі резистивного типу з прямим нагріванням (рис. 6.32 а, б, в). Вони вилус - каються промисловим способом і мають різні форми та розміри. Для них використовують дріт, фольгу, зпечені вироби у вигляді човників. Матері­алами для випаровувачів є тугоплавкі метали та сплави з високою тем­пературою плавлення та низьким тиском пари.

Широко використовуються резистивні випаровувачі непрямого на­грівання матеріалу, який розпилюється. Частіш за все, це випаровувачі тигельного типу із зовнішнім резистивним нагріванням (рис. 6.32 г), або індуктором при ВЧ-індукційному нагріванні.

До матеріалів, які використовуються для виготовлення резисторів, ставиться ряд вимог: тиск пари матеріалу випаровувача при температу­рі процесу повинен бути зневажливо малий; матеріал випаровувача по­винен добре змочуватися матеріалом, що розпилюється, для забез­печення між ними доброго теплового контакту, і розпилюваний матеріал не повинен утворювати з матеріалом резистора або тигля різного роду з'єднань, які спричиняють до забруднення покриття та руйнування ви­паровувача.

При створенні тигельних випаровувачів з ВЧ-нагріванням (рис. 5.2) необхідно враховувати:

1. Необхідність обмеження напруги на подовженому індукторі у зв'язку з можливістю іонізації остаточних газів у присутності високочас­тотного поля.

2. Пошук найбільш придатної форми тигля та матеріалу для його виготовлення, щоб запобігати міграції розплаву через верхню кромку тигля на його зовнішню поверхню.

3. Утворення теплозахисту.

4. Вибір найбільш раціональної геометрії індуктора та його електро­ізоляції.

Тиглі у випаровувачах з індукційним нагріванням необхідно вигото­вляти з тугоплавких та електропровідних матеріалів, які мають високу теплостійкість, хімічну інертність до розплавленого металу.

Для виготовлення тиглів використовують графіт, цирконієвий гра­фіт, рідко безкисневі матеріали (бориди, карбіди). Наприклад, суміш кар­біду бора з диборідом титану.

Для теплового захисту використовують графітовані тканини, повс­тяні графіти і т. ін.

Найбільше поширення отримали електронно-променеві випарову­вачі, які складаються з графітових або мідних водоохолоджуваних тиг­лів, електронно-променевих гармат різних типів. В одній камері може бути розташовано декілька випаровувачів. Завдяки цьому в таких уста­новках можна використовувати різні схеми технологічних процесів на­пилення.

В електронно-променевих випаровувачах отримали розповсюд­ження такі типи електронно-променевих гармат: аксиальні, які форму­ють вісесеметричний потік електронів, і ллоскопроменеві, які утворюють плаский жмут електронів у циліндричний. Незважаючи на конструктивні відзнаки, в електронно-променевих гарматах є (рис. 6.33) катод К, фо­кусуючий електрод ФЕ та прискорюючий анод А. Поміж катодом і ано­дом прикладена висока напруга 15...30 кВ і більше. Потік електронів проходить через канал у аноді і далі рухається по інерції. У позаанод - ному просторі є електромагнітні котушки для фокусування променю ФП та керування променем КП за рахунок його відхилення, розвертання та ін.

Рис. 6.32. Резистивні випаровувачі: а - дротяний; б - стрічковий; в - човниковий; г - тигельний

Конструкції та принцип роботи високочастотного індуктивного та ду­гового прямої полярності випаровувачів термічним випаровуванням на­ведені у розділі 5.0 (рис. 5.2, 5.3). Випаровувачі установок термічної сублімації з іонним бомбардуванням (КІБ) та принципи їх роботи наве­дено у розділі 5.3 (рис. 5.5). Конструкції іонних розпилювачів залежать від способу напилення. Схематично іонні розпилювачі показані на рисун­ках 5.7, 5.8, 5.9, 5.10.

Джерела енергоживлення. Установки ВКНП мають дуже багато варіантів схем електроживлення. Складовими елементами цих схем є: силові джерела електроживлення, високовольтні джерела для приско­рення іонізованих часток і очищення поверхні напилення (джерела від’ємного зміщення); джерела живлення електромагнітних котушок; допоміжні джерела різного призначення (підігрівання виробів, які напи­люються, та інші).

ВК ФК А ФЕ К

Рис. 6.33. Схема електронно-променевого випаровувача з магнітним фокусуванням та поворотом променю на 90°

Для резистивних нагрівачів установок ВКНП термічним випарову­ванням джерелом електроживлення є низьковольтні силові однофазні трансформатори з підвищеним внутрішнім опором і падаючою вольт - амперною характеристикою. Схема такого джерела електроживлення наведена на рис. 6.34.

У високочастотних джерелах для індукційного нагрівання спожива­чем є індуктор. Для нього потрібна висока потужність (від 20 до 100 кВт) та напруга, яка обмежена 200 В. На практиці використовують промисло­ві перетворювачі частоти типу ВПЧ-500/800, ВПЧ-100-800 та інші.

Рис. 6.34. Схема електроживлення резистивних нагрівачів:

PH — регулятор напруги; R — резистивний нагрівам; Тр - трансформатор;

Wi та W2 - кількість витків в обмотках трансформатора

Електронно-променева гармата має декілька джерел живлення (рис. 6.35).

Для живлення прожектора гармати необхідна висока напруга (2...60 кВ) та висока потужність до 150 кВт. Для цього використовують високовольтний блок БВВ, який подає прискорюючу напругу на катод К та анод А прожектора гармати.

Регулювання режиму роботи гармати забезпечує регулятор напруги PH та блок живлення керуючого електроду БУЕ та блок накалу катоду БН.

Основні вимоги до джерел живлення фокусуючої ФК та відхиляючої ВК електромагнітних котушок блоків БФК та БВК складаються з необ­хідності високої стабільності вихідної напруги з мінімальною пульсацією та можливістю регулювання струму у великих межах.

При напиленні покриття термічним випаровуванням з використан­ням для нагрівання вакуумної дуги анодної форми доцільно використо­вувати джерела постійного струму з падаючею або крутопадаючею вольт-амперною характеристикою. Напруга холостого ходу повинна знаходитись у межах 40...60 В та номінальний струм до 1 кА. Цим вимо­гам відповідають зварювальні генератори типу ПСО, зварювальні ви­прямлячі типу ВСВУ та аналогічні джерела живлення.

При виборі джерела живлення установок термічної сублімації з іон­ним бомбардуванням (КІБ) і вибуховим розпиленням матеріалу дугою катодної форми необхідно враховувати стійке існування розряду у диа - пазоні струму від десятків ампер до одиниць кілоампер і напрузі горіння дуги 10...30 В, а також те, що вакуумна дуга катодної форми при струмі до 1 кА має пологопадаючу з переходом в жорстку вольт-амперну харак­теристику.

Рис. 6.35. Принципова електрична схема живлення електронної гармати

Вимоги до джерела живлення для установок іонного розпилення визначаються вольт-амперною характеристикою нормального тліючого розряду у газовому середовищі при низькому тиску. Вид характеристики залежить від тиску газів у камері, напруги джерела живлення, конфігу­рації електродів, щільності розрядного струму та інших.

Аналіз умов горіння тліючого розряду дозволив визначити такі ви­моги до джерел живлення (рис. 6.36).

Регулювач напруги повинен забезпечити потужність від 5 до 50 кВт з діапазоном регулювання напруги 0,3...2,0 кВ і струму 0,01...1,5 А. Для цього, як правило, використовують трьохфазний теристорний регулювач PH. Напруга з регулювача подається на підвищуючий трансформатор ПТ і далі на трьохфазний діодний випрямляючий блок ДВВ. Для змен­шення пульсацій струму використовується П-подібний фільтр.

зп

PC

Рис. 6.36. Блок-схема джерела живлення іонного розпилювача

З обмежувального опору R береться напруга зворотнього зв’язку для захисту джерела живлення від коротких замкнень та дугових розря­дів. При збільшенні струму вище дозволеного спрацьовує захисне при­стосування ЗП, яке зачиняє теристорний регулювач. Одночасно спрацьовують і реле струму PC у первинному ланцюгу підвищуючого трансформатору.

Для іонного очищення поверхні напилюваних виробів та приско­рення іонізованих часток у потоці при конденсації покриття використову­ють малопотужні високовольтні джерела випрямленого струму. Частіш за все ці джерела мають пологопадаючу зовнішню вольт-амперну харак­теристику, напругу холостого ходу у межах 0,5...3,0 кВ та струм наван­таження 0,1...0,5 А та вище.

Оставить комментарий