 |
6.2. Обладнання для вакуумно-конденсаційних
|
|
|
|
6. 2. Обладнання для вакуумно-конденсаційних
процесів нанесення покриття
6. 2. 1. Класифікація обладнання та комплектація установок
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.
Рис. 6. 29. Функціональна блок-схема установки для ВКНП
Компоновка установок . Установки виготовляються в однокорпусному 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 трубопроводів 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 ваку-умних систем. Спочатку включають механічний насос, що відкачує систему до тис-ку 1, 0 Па, а потім паромастильний насос, що забезпечує тиск у системі 10-3... 10-5Па. 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 для підтримки вакууму в заданому діапазоні (10-1... 10-5Па) і для напуску повітря під ковпак і у вакуумні насоси відповідно.
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.
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
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 м3/с та 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... 10-5 Па.
Основні труднощі при створенні високого вакууму викликає обратний 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 випускаються 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 плоскопроменеві, 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 позаанодному 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).
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:
РН - регулятор напруги; R - резистивний нагрівач; Тр - трансформатор;
W1 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 РН та блок живлення керуючого електроду БУЕ та блок накалу катоду БН.
Основні вимоги до джерел живлення фокусуючої ФK 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 характери-тикою. 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 диапазоні струму від десятків ампер до одиниць кілоампер і напрузі горіння дуги 10... 30 Б, а також те, що вакуумна дуга катодної форми при струмі до 1 кА має пологопадаючу з переходом в жорстку вольт-амперну характеристику.
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).
Рис. 6. 35. Принципова електрична схема живлення електронної гармати
Рис. 6. 36. Блок-схема джерела живлення іонного розпилювача
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 РН. Напруга з регулювача подається на підвищуючий трансформатор ПТ і далі на трьохфазний діодний випрямляючий блок ДВБ. Для зменшення пульсацій струму використовується П-подібний фільтр.
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 3/7, яке зачиняє теристорний регулювач. Одночасно спрацьовують і реле струму РС 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 вольтамперну характеристику, напругу холостого ходу у межах 0, 5... 3, 0 кВ та струм навантаження 0, 1... 0, 5 А та вище.
|
|
|
