Навигация:
Различают последующие периоды вакуум напылений:
- Создание газов (паров) с элементов, образующих покрытие;
- Транспортировка паров к подложке;
- Конденсация пара в подложке и развитие напыления;
- К группе способов вакуумного напыления принадлежат приведенные ниже технологические процессы, а кроме того реактивные виды данных действий.
Методы теплового напыления:
- Испарение электрическим лучом;
- Испарение лазерным лучом.
Испарение вакуумной дугой:
- Сырье улетучивается в катодном пятне гальванической дуги;
- Эпитаксия моляльным лучом.
Ионное рассеивание:
- Первоначальное сырье распыляется бомбардировкой гетерополярным потоком и действует на подложку.
Магнетронное распыление:
- Напыление с гетерополярным ассистированием;
- Имплантация ионов;
- Фокусируемый ионный пучок.
Вакуумное напыление
Применение
Вакуумное покрытие используют с целью формирования в плоскости элементов, приборов и оснащения многофункциональных покрытий - проводящих, изолирующих, абразивостойких, коррозионно-устойчивых, эрозионностойких, антифрикционных, антизадирных, барьерных и т. д. Процедура применяется с целью нанесения декоративных покрытий, к примеру, при изготовлении часов с позолотой и оправ для очков. Единственный из ключевых действий микроэлектроники, где используется с целью нанесения проводящих оболочек (металлизации). Вакуумное покрытие применяется с целью получения оптических покрытий: просветляющих, отображающих, фильтрующих.
Материалами для напыления предназначаются мишени с разных веществ, металлов (титана, алюминия, вольфрама, молибдена, железа, никеля, меди, графита, хрома), их сплавов и синтезов (Si02,Ti02,Al203). В научно-техническую сферу способен быть добавлен электрохимически динамичный метан, к примеру, ацетилен (с целью покрытий, включающих углерод), азот, воздух. Хим реакция в плоскости подложки активизируется нагревом, или ионизацией и диссоциацией газа той либо другой конфигурацией газового ряда.
С поддержкой способов вакуумного напыления обретают напыления толщиной с нескольких ангстрем вплоть до нескольких микрон, как правило в последствии нанесения напыления плоскость не требует добавочного обрабатывания.
Методы вакуумного напыления
Вакуумное покрытие — перенесение элементов напыляемого материала с источника (зоны его переведения в газовую фазу) к плоскости детали исполняется согласно прямолинейным траекториям при вакууме 10-3 Па и ниже (вакуумное улетучивание) и посредством дифузного и конвекционного перенесения в плазме при давлениях 1 Па (катодное рассеивание) и 10-1-10-3 Па (магнетронное и ионно-плазменное рассеивание). Участь любой из крупиц напыляемого элемента при соударении с поверхностью детали находится в зависимости от ее энергии, температуры плоскости и хим сродства веществ оболочки и составляющих. Атомы либо молекулы, достигнувшие плоскости, имеют все шансы или отразиться от нее, или адсорбироваться и спустя определенный период времени, покинуть ее (десорбция), или адсорбироваться и формировать в плоскости поликонденсат (уплотнение). При высочайших энергиях крупиц, высокой температуре плоскости и небольшом хим сродстве, часть отображается поверхностью. Температура плоскости детали, больше которой все частички отражаются с нее и оболочка не сформируется, именуется опасной температурой напыления вакуумного, её роль находится в зависимости от природы веществ оболочки и плоскости детали и от состояния плоскости. При весьма небольших струях испаримых частиц, в том числе и в случае если данные частички в плоскости адсорбируются, однако нечасто сталкиваются с иными подобными же частичками, они десорбируются и не могут формировать зачатков, т.е. оболочка никак не увеличивается. Опасной частотой струи испаримых элементов для переданной температуры плоскости именуется минимальная уплотненность, при которой частички конденсируются и образовывают пленку.
Метод вакуумного напыления
Вакуумно-плазменное напыление
Согласно данному способу тонкие оболочки толщиной 0,02-0,11 мкм выходят в следствии нагрева, улетучивания и осаждения элемента на подложку в изолированной камере при сокращенном давлении газа в ней. В камере с поддержкой вакуумного насоса формируется максимальное влияние остаточных газов примерно 1,2х10-3 Па.
Рабочая камера предполагает собою металлический либо стеклянный колпак с концепцией внешнего водяного остужения. Камера размещена в основной плите и формирует с ней вакуумно-непроницаемое объединение. Адгерент, в котором проводится напыление, зафиксирован на держателе. К подложке прилегает электронагреватель, раскаляющий подложку вплоть до 2500-4500 оС, с целью усовершенствования адгезии напыляемой оболочки. Теплообменник содержит в себе отопитель и ресурс напыляемого элемента. Переломная затворка закрывает течение паров с испарителя к подложке. Покрытие длится в ходе времени, когда заслонка не закрыта.
Для нагрева напыляемого элемента в основном применяется 2 вида испарителей:
- Прямонакальный проволочный или ленточный испаритель, изготавляемый с вольфрама либо молибдена;
- Электронно-радиальные испарители с нагревом испаримого элемента электрической бомбардировкой.
Для напыления пленок с многокомпонентых веществ используется подрывное улетучивание. При данном теплообменник разогревается вплоть до 20000 оС и посыпается порошком из смеси испаримых веществ. Подобным способом удаётся обретать композиционные покрытия.
Некоторые известные вещества с целью покрытий (к примеру, золото) обладают плохой адгезией с кремнием и иными полупроводниковыми веществами. В случае некачественной адгезии испаримого вещества к подложке, улетучивание прокладывают в 2 слоя. Вначале сверху подложки наносят слой сплава, обладающего отличной адгезией к полупроводниковой подложке, к примеру, Ni, Cr либо Ti. Далее напыляют главный пласт, у которого прилипание с подслоем ранее превосходное.
Вакуумно-плазменное напыление
Ионно-вакуумное напыление
Данный способ состоит в разбрызгивании вещества наносимого элемента, пребывающего под отрицательным потенциалом, вследствие бомбардировки ионами пассивного газа, появляющихся в ходе возбужденности перетлевающего разряда изнутри конструкции вакуумного напыления.
Материал негативно заряженного электрода распыляется перед воздействием ударяющихся о него ионизованных атомов пассивного газа. Данные пульверизированные промежуточные атомы и осаждаются сверху подложки. Основным превосходством ионно-вакуумного способа напыления представляется отсутствие потребности нагрева испарителя вплоть до высочайшей температуры.
Механизм происхождения тлеющего разряда. Разлагающийся разряд прослеживается в камерах с невысоким давлением газа меж 2-я железными электродами, на которые подается большой вольтаж вплоть до 1-4 кВ. При данном отрицательный электрод как правило заземлен. Катодом представляется мишень с распыляемого вещества. С камеры заранее откачивается воздушное пространство, далее запускается газ вплоть до давления 0,6 Па.
Тлеющий разряд приобрел собственное наименование из-за присутствия в мишени (катоде) так именуемого перетлевающего свечения. Данное сверкание обуславливается огромным падением возможности в тесном пласте объёмного заряда возле катода. К области TC прилегает сфера фарадеева тёмного пространства, переходящая в позитивный столбик, что представляется самостоятельной долею разряда, никак не подходящей с других слоев разряда.
Вблизи анода, кроме того, существует легкий пласт объёмного заряда, именуемый анодным пластом. Прочая часть межэлектродного интервала захвачена квазинейтральной плазмой. Таким способом, в камере прослеживается растровое сверкание с чередующихся тёмных и ясных полос.
Для прохождения тока меж электродами нужна стабильная эмиссия электронов катода. Данную эмиссию допускается спровоцировать по принуждению посредством нагрева катода, либо облучения его ультрафиолетовым светом. Такого рода разряд представляется несамостоятельным.
Ионно-плазменное напыление
Вакуумное напыление алюминия
В некоторых случаях, особенно при напылении пластика, применяется металлизирование алюминием, а этот металл — материал довольно легкий и никак не износоустойчивый, в данном случае необходимы некоторые особые научно-технические приемы. Пользователю следует понимать, что подобные составляющие правильнее всего оберегать от засорения сразу же по прошествии штамповки, а кроме того, вредно использовать разные смазывающие порошки и присыпки в пресс-фигурах.
Вакуумное напыление алюминия
Вакуумное напыление металлов
Металлы, испаряющиеся при температуре ниже места их плавления, допускается разогревать непосредственным прохождением тока, серебро и золото испаряют в челноках с тантала либо вольфрама. Покрытие обязано изготавливаться в камере с давлением < 10-4 мм рт.ст.
Вакуумное напыление металлов
Для происхождения независимого перетлевающего разряда следует спровоцировать эмиссию электронов с катода посредством подачи высочайшего напряжения размером 2-4 кВт меж электродами. В случае если вложенный вольтаж превосходит возможности ионизации газа в камере (как правило Ar), в таком случае, в результате конфликтов электронов с молекулами Ar, метан ионизируется с образованием положительно заряженных ионов Ar+. В следствии, в зоне катодного черного пространства появляется ограниченный пространственный разряд и поэтому, мощное гальваническое поле.
Ионы Ar+, приобретающие энергию в данной области, выбивают атомы вещества катода, в то же время инициируя эмиссию второстепенных электронов с катода. Данная эмиссия и удерживает независимый тлеющий разряд. Промежуточные атомы с вещества катода доходят подложки и осаждаются на ее плоскости.
Вакуумное ионно-плазменное напыление
Установка вакуумного напыления УВН
Конструкция оснащена важным комплексом прогрессивных устройств и приборов, которые обеспечивают оседание покрытий металлов их синтезов и PC сплавов с установленными свойствами, превосходной адгезией и высочайшей равномерностью по части площади.
Комплекс приборов и устройств, которые входят в структуру агрегата:
- полуавтоматический (механический) блок управления вакуумной системой;
- магнетронная распылительная концепция в стабильном токе (с 1 вплоть до 4 магнетронов);
- концепция нагревания (с контролированием и поддержанием установленной температуры);
- концепция очищения напыляемых продуктов в зоне тлеющего разряда;
- концепция передвижения продуктов в вакуумной среде (простая либо планетарная карусель);
- числовой вакуумметр;
- концепция контролирования противодействия возрастающих пленок;
- инверторный блок питания магнетронов (мощность вплоть до 9 кВт).
Установка вакуумного напыления
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.
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.
Модификация различных конструкций, деталей и функциональных элементов зачастую выполняется путем полного изменения структуры материалов. Для этого задействуются средства глубокой термической, плазменной и химической обработки. Но существует и широкий сегмент методов изменения эксплуатационных свойств за счет внешних покрытий. К таким способам относится вакуумная металлизация, благодаря которой можно улучшать декоративные, токопроводящие, отражающие и другие характеристики материалов.
Общие сведения о технологии
Суть метода заключается в напылении частиц металла на рабочую поверхность. Процесс формирования нового покрытия происходит за счет испарения донорских металлов в условиях вакуума. Технологический цикл подразумевает выполнение нескольких стадий структурного изменения целевой основы и элементов покрытия. В частности, выделяются процессы испарения, конденсации, абсорбции и кристаллизации. Ключевой процедурой можно назвать взаимодействие металлических частиц с поверхностью в условиях особой газовой среды. На этом этапе технология вакуумной металлизации обеспечивает процессы диффузии и присоединения частиц к структуре обрабатываемой детали. На выходе в зависимости от режимов напыления, характеристик покрытия и типа заготовки можно получать самые разные эффекты. Современные технические средства позволяют не просто улучшать отдельные эксплуатационные качества изделия, но и с высокой точностью дифференцировать свойства поверхности на отдельных участках.
Применяемое оборудование
Различают три основные группы машин, используемых для данной технологии. Это оборудование непрерывного, полунепрерывного и периодического действия. Соответственно, они различаются по признаку общей организации обрабатывающего процесса. Агрегаты с непрерывным действием часто используют на серийных производствах, где требуется поточная вакуумная металлизация. Оборудование этого типа может быть одно- и многокамерным. В первом случае агрегаты ориентируются на выполнение непосредственно металлизации. Многокамерные же модели предусматривают и возможность реализации дополнительных процедур - первичной подготовки изделия, контроля, термической обработки и т.д. Такой подход позволяет оптимизировать процесс изготовления. Машины для периодической и полунепрерывной металлизации, как правило, имеют одну основную камеру. Именно в силу нерегулярности производства они используются для конкретной процедуры, а подготовительные операции и тот же контроль качества осуществляются в отдельном порядке - иногда в ручном режиме без автоматизированных линий. Теперь стоит подробнее рассмотреть, из каких узлов состоят такие агрегаты.
Устройство машин для металлизации
Помимо основной камеры, где и происходят процессы напыления, оборудование включает множество вспомогательных систем и функциональных компонентов. В первую очередь стоит выделить непосредственно источники распыляемого материала, коммуникации которых связываются с газораспределительным комплексом. Чтобы установка вакуумной металлизации могла обеспечивать нужные для конкретной задачи обработки параметры, подающие каналы напыления с регуляторами позволяют, в частности, настраивать температурный уровень, скорость направления потоков и объемы. В частности эта инфраструктура формируется натекателями, насосами, клапанами, фланцевыми элементами и прочей арматурой.
В современных установках для той же регуляции рабочих параметров используются датчики, подключенные к микропроцессорному блоку. Учитывая заданные требования и фиксируя текущие фактические значения, аппаратура без участия оператора может корректировать режимы обработки. Также для облегчения процессов эксплуатации оборудование дополняется внутрикамерными системами очистки и калибровки. Благодаря такой оснастке упрощается ремонт вакуумной металлизации машины, поскольку постоянная и своевременная чистка минимизирует риски перегрузок пневмодвигателей, манипуляторов и коммуникационных контуров. Последние и вовсе рассматриваются как расходная часть, замена которой в агрегатах непрерывного действия выполняется в регулярном порядке техобслуживания.
Целевые материалы для металлизации
Прежде всего процедуре подвергаются металлические заготовки, которые могут быть выполнены в том числе из специальных сплавов. Дополнительное покрытие требуется для обеспечения антикоррозийного слоя, повышения качества электрической проводки или же изменения декоративных свойств. В последние годы вакуумная металлизация все чаще используется и применительно к полимерным изделиям. Данный процесс имеет свою специфику, обусловленную характеристиками структуры объектов такого рода. Реже технология применяется в отношении изделий, которые имеют низкие показатели твердости. Это касается древесины и некоторых синтетических материалов.
Особенности металлизации пластиков
Напыление на поверхности пластиковых деталей также способно изменить его электрические, физические и химические свойства. Нередко металлизацию используют и как средство повышения оптических качеств подобных заготовок. Главной же проблемой при выполнении таких операций является процесс интенсивного термического испарения, который неизбежно оказывает давление на потоки частиц, напыляющих поверхность элемента. Поэтому требуются специальные режимы регуляции диффузии основного материала и расходуемой массы.
Имеет свою специфику и вакуумная металлизация пластмасс, отличающихся жесткой структурой. В данном случае будет иметь значение присутствие защитных и грунтующих лаков. Для поддержания достаточного уровня адгезии с преодолением барьеров этих пленок может потребоваться повышение энергии термического воздействия. Но здесь же вновь возникает проблема с рисками разрушения пластиковой структуры под влиянием тепловых потоков. В итоге для снятия излишнего напряжения в рабочей среде вводятся модифицирующие компоненты наподобие пластификаторов и растворителей, позволяющих удерживать форму заготовки в оптимальном состоянии независимо от температурного режима.
Особенности обработки пленочных материалов
Технологии изготовления упаковочных материалов предусматривают использование металлизации для ПЭТ-пленок. Данный процесс обеспечивает алюминирование поверхности, благодаря чему заготовка наделяется более высокой прочностью и стойкостью перед внешними воздействиями. В зависимости от параметров обработки и конечных требований к покрытию могут применяться разные способы теплоотвода. Поскольку пленка чувствительна к температуре, вводится дополнительная процедура осаждения. Как и в случае с пластиками, она позволяет регулировать термический баланс, сохраняя оптимальную для заготовки среду. Толщина пленок, которые обрабатываются по методу вакуумной рулонной металлизации, может составлять от 3 до 50 мкм. Постепенно внедряются и технологии, обеспечивающие подобные покрытия на поверхностях материалов толщиной 0,9 мкм, но по большей части это пока лишь экспериментальная практика.
Металлизация отражателей
Это тоже отдельное направление использования металлизации. Целевым объектом в данном случае выступают автомобильные фары. Их конструкция предусматривает наличие отражателей, которые со временем утрачивают свои эксплуатационные качества - тускнеют, ржавеют и, как следствие, становятся непригодными к использованию. Кроме того, даже новая фара может получить случайное повреждение, из-за чего потребуется ее ремонт и восстановление. Именно на эту задачу и ориентируется вакуумная металлизация отражателей, обеспечивающая износостойкое напыление на зеркальной поверхности. Заполнение внешней структуры металлизированными частицами с одной стороны ликвидирует мелкие дефекты, а с другой - выступает защитным покрытием, предотвращая возможные повреждения в будущем.
Организация процесса в домашних условиях
Без специального оборудования можно применить технологию поверхностного химического покрытия, но для вакуумной обработки в любом случае потребуется соответствующая камера. На первом этапе подготавливается сама заготовка - ее следует очистить, обезжирить и при необходимости выполнить шлифование. Далее объект помещается в камеру вакуумной металлизации. Своими руками можно выполнить и специальную оснастку на рельсах из профильных элементов. Это будет удобный способ загрузки и выгрузки материала, если планируется обработка в регулярном режиме. В качестве источника частиц металлизации применяются так называемые болванки - из алюминия, латуни, меди и др. После этого камера настраивается на оптимальный режим обработки и начинается процесс напыления. Готовое изделие сразу после металлизации можно покрыть вручную вспомогательными защитными покрытиями на основе лаков.
Положительные отзывы о технологии
Метод имеет множество положительных качеств, которые отмечают пользователи готовых изделий в разных областях. В частности указывается на высокие защитные свойства покрытия, которое предотвращает процессы коррозии и механического разрушения основы. Положительно отзываются и рядовые потребители продукции, которая подвергалась вакуумной металлизации с целью улучшения или изменения декоративных качеств. Специалисты же подчеркивают и экологическую безопасность технологии.
Негативные отзывы
К минусам данного метода обработки изделий относят сложность технической организации процесса и высокие требования к подготовительным мероприятиям заготовки. И это, не говоря о применении высокотехнологичного оборудования. Только с его помощью можно получить качественное напыление. Стоимость также входит в список недостатков вакуумной металлизации. Цена обработки одного элемента может составлять 5-10 тыс. руб. в зависимости от площади целевой области и толщины покрытия. Другое дело, что серийная металлизация удешевляет стоимость отдельного изделия.
В заключение
Изменение технико-физических и декоративных свойств тех или иных материалов расширяет возможности их дальнейшего применения. Развитие метода вакуумной металлизации обусловило появление специальных направлений обработки с ориентацией на конкретные эксплуатационные качества. Технологи также работают и над упрощением самого процесса напыления, что уже сегодня проявляется в виде уменьшения габаритов оборудования и сокращения процедур пост-обработки. Что касается применения методики в домашних условиях, то это наиболее проблемный способ покрытия, так как требует от исполнителя наличия специальных навыков, не говоря о технических средствах. С другой стороны, более доступные методы напыления не позволяют получать покрытия того же качества - будь то защитный слой или декоративная стилизация.
Марийский государственный технический университет
Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры
Вакуумное напыление
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
Основы физики твёрдого тела и микроэлектроники
Разработал: студент группы ЭВС-31
Колесников
Консультировал: доцент
Игумнов В.Н
Йошкар-Ола 2003г.
Введение
1.Термическое вакуумное напыление
1.1 Резистивное напыление
1.2 Индукционное напыление
1.3 Электронно-лучевое напыление
1.4 Лазерное напыление
1.5 Электродуговое напыление
2. Распыление ионной бомбардировкой
2.1 Катодное распыление
2.2 Магнетронное распыление
2.3 Высокочастотное распыление.
2.4 Плазмоионное распыление в несамостоятельном газовом разряде
3. Технология тонких пленок на ориентирующих подложках
3.1 Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок
3.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие пленки, наносимые в вакууме, широко применяются в производстве дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).
Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных слоев является одним из важнейших технологических процессов формирования структур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов ИМС.
Таким образом, от совершенства технологических процессов нанесения тонких пленок в значительной степени зависят надежность и качество изделий микроэлектроники, технический уровень и экономические показатели их производства.
Тонкопленочная технология базируется на сложных физико-химических процессах и применении различных металлов и диэлектриков. Так, тонкопленочные резисторы, электроды конденсаторов и межсоединения выполняют осаждением металлических пленок, а межслойную изоляцию и защитные покрытия – диэлектрических.
Важным этапом является контроль параметров тонких пленок (скорости их нанесения, толщины и ее равномерности, поверхностного сопротивления), который проводится с помощью специальных приборов, как при выполнении отдельных технологических операций, так и по завершении всего процесса.
Методы ионно-плазменного и магнетронного напыления находят широкое применение в современной микроэлектронике. Высокие скорости напыления и энергия падающих на подложку атомов в процессе напыления позволяют использовать эти методы для получения пленок различного состава и структуры, и, в частности, для низкотемпературной эпитаксии.
В настоящее время исследованиям в данной области уделяется значительный интерес.
Целью данной курсовой работы является рассмотрение основных методов напыления и распыления в вакууме, физико-химических процессов, а также описание и работа установок использующихся в данных методах.
Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании (генерации) потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их концентрации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности.
Для модификации свойств поверхности твердого тела используют различные режимы ионной обработки. Процесс взаимодействия ионного пучка с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, распыления и внедрения. Превалирование того или иного физического эффекта определяется главным образом энергией E 1 бомбардирующих ионов. При Е 1 =10-100 эВ конденсация преобладает над распылением, поэтому имеет место осаждение покрытия. При повышении энергии ионов до 10 4 эВ начинает преобладать процесс распыления с одновременным внедрением ионов в металл. Дальнейшее повышение энергии бомбардирующих ионов (Е 1 >10 4 эВ) приводит к снижению коэффициента распыления и установлению режима ионной имплантации (ионного легирования).
Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме включает 3 основных этапа:
Генерация потока частиц осаждаемого вещества;
Переноса частиц в разреженном пространстве от источника до подложки;
Осаждения частиц при достижении подложки.
Существуют 2 метода нанесения вакуумных покрытий, различающихся по механизму генерации потока осаждаемых частиц: термическое напыление и распыление материалов ионной бомбардировкой. Испаренные и распыленные частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счет приложения к ней отрицательного напряжения.
Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.
Для понимания физических явлений, происходящих при нанесении тонких пленок в вакууме, необходимо знать, что процесс роста пленки на подложке состоит из двух этапов: начального и завершающего. Рассмотрим, как взаимодействуют наносимые частицы в вакуумном пространстве и на подложке.
Покинувшие поверхность источника частицы вещества движутся через вакуумное (разреженное) пространство с большими скоростями (порядка сотен и даже тысяч метров в секунду) к подложке и достигают ее поверхности, отдавая ей при столкновении часть своей энергии. Доля передаваемой энергии тем меньше, чем выше температура подложки.
Сохранив при этом некоторый избыток энергии, частица вещества способна перемещаться (мигрировать) по поверхности подложки. При миграции по поверхности частица постепенно теряет избыток своей энергии, стремясь к тепловому равновесию с подложкой, и при этом может произойти следующее. Если на пути движения частица потеряет избыток, своей энергии, она фиксируется на подложке (конденсируется). Встретив же на пути движения другую мигрирующую частицу (или группу частиц), она вступит с ней в сильную связь (металлическую), создав адсорбированный дуплет. При достаточно крупном объединении такие частицы полностью теряют способность мигрировать и фиксируются на подложке, становясь центром кристаллизации.
Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Рост кристаллитов происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц, так и в результате непосредственного осаждения частиц на поверхность кристаллитов. Возможно также образование дуплетов в вакуумном пространстве при столкновении двух частиц, которые в конечном итоге адсорбируются на подложке.
Образованием сплошной пленки заканчивается начальный этап процесса. Так как с этого момента качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки, начальный этап имеет решающее значение в их формировании. На завершающем этапе происходит рост пленки до необходимой толщины.
При прочих неизменных условиях рост температуры подложки увеличивает энергию, т.е. подвижность адсорбированных молекул, что повышает вероятность встречи мигрирующих молекул и приводит к формированию пленки крупнокристаллической структуры. Кроме того, при увеличении плотности падающего пучка повышается вероятность образования дуплетов и даже многоатомных групп. В то же время рост количества центров кристаллизации способствует образованию пленки мелкокристаллической структуры.
Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.
Вакуумная техника занимает важное место в производстве пленочных структур ИМС. Для создания вакуума в рабочей камере из нее должны быть откачаны газы. Идеальный вакуум не может быть достигнуть, и в откачанных рабочих камерах технологических установок всегда присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется давление в откачанной камере (глубина, или степень вакуума).
Сущность данного процесса нанесе6ния тонких пленок заключается в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно и при соударении с поверхностью испаряемые атомы, и молекулы конденсируются на ней.
Процесс испарения осуществляется по обычной схеме: твердая фаза – жидкая фаза – газообразное состояние. Некоторые вещества (магний, кадмий, цинк и др.) переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.
Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис.1, являются: 1 - вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 - заслонка; 3 - трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 - игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 - нагреватель подложки; 6 - подложкодержатель с подложкой, на которой может быть размещен трафарет; 7 - герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 - испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).
