Курсовая работа: Вакуумное напыление. Вакуумная металлизация - описание технологии, устройство и отзывы

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

Технологический процесс вакуумной металлизации

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

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

Установка для вакуумной металлизации

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

Типовая технология состоит из нескольких основных этапов:

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

Результат вакуумной металлизации

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

Область применения вакуумной металлизации

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

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

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

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

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

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

Преимущества вакуумной металлизации

У данной технологии есть довольно большое количество преимуществ:

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

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

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

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.

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).

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.

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.