 |
6.2.2. Установки для вакуумно-конденсаційного нанесення покриття
|
|
|
|
Для вакуумного нанесення покриття термічним випаровуванням використовують різні типи установок, які відрізняються між собою способом нагрівання матеріалу, який випаровується. Це установки з резистивними, електронно-променевими, ВЧ-індукційними та дуговими випаровувачами.
На рис. 6. 37 показана базова модель установки УВН-2М з резистивним нагрівачем. Вона призначена для відпрацювання технології напилення та серійного виробництва плівкових елементів і схем.
Рис. 6. 37. Схема базової установки УВН-2М (а) та технологічного
оснащення у камерах одноопераційного (б)
та багатоопераційного типів (в):
1 - камера; 2 - дифузійний насос; 3 - високовакуумна засувка;
4 - азотна пастка; 5 - механічний вакуумний насос; 6 - коробка клапанів;
7 - натікач робочого газу; 8 - сосуд Дьюара; 9 - камера; 10 - базова плита;
11 - нагрівам напилюваного виробу; 12 - карусель масок;
13-випаровувач; 14-екран; 15-засувка;
16 - карусель виробів, що напилюються; 17 - екран; карусель масок;
18 - карусель випаровувачів; 19 - засувка; 20 – екран
Установка випускається в однокорпусному виконанні з камерою ковпакового типу розміром 0500x640 мм з об'ємом 0, 12 м3, яка розташована на базовій плиті. Вертикальний підйом камери відбувається за допомогою гідравлічного механізму. У внутрішній порожнині камери розташовані випаровувачі, напилювані вироби, каруселі, екрани та інше оснащення. Для напилення покриття у багато операцій-ному варіанті є карусель випаровувачів на п'ять позицій.
Максимальна температура напилюваного матеріалу складає 1500 °С. Джерело живлення (рис. 6. 34) має однофазний трансформатор, в якому передбачені чотири ступеня регулювання з напругою холостого ходу 4, 8, 16 та 32 В та теристорний регулятор напруги, для плавного регулювання величини струму у резистивному випаровувачі від 60 до 500 А. Потужність джерела живлення становить до 20 кВт.
|
|
|
Установки електронно-променевого напилення. Установки електронно-променевого напилення покриття - досить складні та енергоємні агрегати. Вони розраховані на безперервну роботу на протязі 10... 15 годин і більше. Блок-схема з переліком основних вузлів електронно-променевої установки УЭ-175М показана на рис. 6. 38.
На практиці використовується цілий ряд промислових та експериментальних установок з електронно-променевими випаровувачами. Поширення отримали установки УЭ-137, УЭ-175, УЭ-366М, розроблені ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАМ України, які досить широко використовуються для нанесення захисного покриття на лопатки газотурбінних двигунів та інших виробів.
Дослідно-промислова електронно-променева установка УЭ-366 дозволяє отримати багатокомпонентні дисперснозміцнені та багатошарові конденсати з різних матеріалів на пласкі нерухомі підложки, а також на лопатки газотурбінних двигунів.
Функціональна схема установки представлена на рис. 6. 39.
Установка складається з вакуумної камери з сімома електронними гарматами, системи створення вакууму та електрообладнання.
Вакуумна водоохолоджувана камера 1 виконана у формі паралелепіпеда з основою 1200x1200 мм та висотою 1000 мм з листів низьковуглецевої сталі товщиною 12 мм. Дві електронно-променеві гармати 3 призначені для підігрівання підложки, встановлені на водоохолоджувану горизонтальну плиту 21.
На вертикальній плиті 15 встановлені п'ять електронних гармат 8. Дві випаровують металевий сплав, а три випаровують керамічні матеріали.
Безпосередньо над тиглями 12 та 7 на відстані 270... 300 мм встановлюється основа 5, на яку здійснюється конденсація матеріалів, що випаровуються. На час виведення установки на заданий режим основа захищається від напилення засувкою 6.
|
|
|
Рис. 6. 38. Блок-схема промислової електронно-променевої установки УЭ-175М
П'ять мідних водоохолоджуваних тиглів 3 типу " човник" 7 та два циліндричних 12 з нижньою подачею злитку матеріалу, що випаровується, встановлені на плиту 9, яка за допомогою гвинтової пари 17, приводу 16 та роликової системи в процесі випаровування може переміщувати тиглі або здійснювати їх зворотньо-поступальне переміщення по заданій програмі. Це дозволяє розширити можливості установки та вводити домішки, наприклад оксиди, у металічні матеріали, які випаровуються таким чином, що характер їх зміни у матеріалах підкоряється практично любому наперед заданому закону. Вхід 4 системи водяного охолодження тиглів та рухомої плити виконано через допоміжну камеру.
Рис. 6. 39. Схема електронно-променевої установки УЭ-366М
Завантаження матеріалів та обслуговування робочої камери відбувається через передні двері 13. Робочі гармати захищаються від перегрівання та запилення водоохолоджуваним екраном 2.
Спостереження за ходом процесу випаровування ведеться через оглядову систему 20, яка змонтована на передній двері камери. Освітлення всередині камері створюється випромінюванням світла поверхнею матеріалу, що випаровується, розігрітого до високої температури електронними потоками.
Для зниження забруднення скла оглядової системи перед ним встановлюється диск 19, що обертається під дією рухомого електромагнітного поля. Після досягнення стабільного режиму випаровування оглядове вікно закривається заслонкою 18, яка відкривається тільки для періодичного нагляду за ходом процесу. Це дозволяє значно підвищити строк використання оглядового скла без очищення його від конденсату.
Особливістю установки є відокремлення електронних гармат від зони випаровування за допомогою вертикальної 15 та горизонтальної 9 плит та роздільне їх вакуумування. Це поліпшує стабільність роботи електронно-променевих нагрівачів.
Робочий вакуум 1, 3-10-2... 1, 3-10-3 Па в камері створюється за допомогою форвакуумного насосу ВН-4Г, бустерного насосу БН-3 та двох вакуумних агрегатів ВА-8-4 та АВП5-4.
Всі електронні гармати установки УЭ-366М заживлені прискорюючою напругою 18 кВ від загального високовольтного блоку, який складається з силового трансформатора та випрямляча.
|
|
|
Кожна гармата має свій трансформатор розжарювання катоду, який керується магнітним підсилювачем. Роздільне живлення катодів електронно-променевих гармат у поєднанні з роздільним живленням електромагнітів керування положення променю в просторі дозволяє отримати одночасно сім незалежних електронних променів різної потужності.
Нагрівання основи до заданої температури здійснюється двома допоміжними гарматами зі стабілізаторами температури, які керуються від термопар. Рівномірність нагрівання підложки досягається шляхом сканування електронних променів по заданій програмі за допомогою спеціального генераторного пристрою.
Для випаровування металічної основи мікрошарових матеріалів служать дві гармати. Кожна з них має автоматичний регулятор струму променю, який керується сигналом з високовольтного датчика струму.
Випаровування оксидів здійснюється за допомогою трьох гармат.. Стабілізація робочого струму кожної гармати також забезпечується автоматичними регуляторамми струму, які керуються від датчиків струму.
Використання системи автоматичної стабілізації режиму випаровування шляхом стабілізації струму емісії дозволяє отримати високоякісні та однорідні по складу матеріали при випаровуванні з декількох тиглів.
В установках УЭ-175 попереднє електронне нагрівання виробів проводиться у допоміжних камерах (рис. 6. 38), розташованих з обох сторін від робочої камери. Передбачена автоматична система контролю керування технологічним процесом випаровування на базі міні-ЕОМ.
Для напилення покриття електронно-променевим випаровуванням великогабаритних деталей діаметром до 2, 5 м та висотою до 2 м створені установки типу УТН.
Широке розповсюдження для напилення виробів електронної техніки отримали установки УВН-73П-5, УВН-83-1, " Лада-5" та інші. У них використані циліндричні горизонтальні камери з пристосуванням барабанного типу для кріплення виробів, які напилюються, та вертикальні ковпакові камери з транспортуючими пристроями карусельного типу.
|
|
|
Установки для вакуумного напилення покриття з іонним бомбардуванням (КІБ). Є декілька типів установок високошвидкісного розпилення дугою низького тиску. Найбільше поширення отримали установки типу " Булат".
Установки " Булат" призначені для синтезу твердих матеріалів та нанесення їх у вигляді покриття методом конденсації матеріалу, який випаровується та розпилюється у вакуумі електричною дугою й іонним бомбардуванням ріжучого інструменту та деталей машин і інструментальної оснастки.
Основні технічні характеристики установки " Булат-6" такі:
максимальна потужність установки, кВт.................. до 42;
напруга живлення, В................................................... 380;
частота напруги живлення, Гц.................................... 50;
максимальна площа поверхні, що напилюється,
дм2, біля....................................................................... 25;
швидкість осадження покриття одним джерелом плазми
на нерухому основу при номінальному режимі на відстані 50 мм
від зрізу аноду, мкм/год............................................... 15... 50;
напруга холостого ходу джерела живлення дугових
випаровувачів, В............................................................ не менше100;
струм дуги, А............................................................... до 150;
регулювання струму дуги, плавно, А........................ 80... 150;
напруга холостого ходу випрямляча іонного бомбардування,
кВ, не менше................................................................. 1, 7;
кількість джерел плазми............................................. 3;
діаметр потоку плазми на виході з джерела, мм...... 200;
робочий тиск у камері, Па........................................ 2, 6-10-3. 6, 5- 10-1
час відкачування камери до тиску 1, 3 Па, хв........... до 20;
час відкачування камери до тиску 2, 6-10-3 Па
паромастильним вакуумним насосом, хв................. до 20;
максимальні розміри деталі, що напилюється, мм:
діаметр......................................................................... 400;
висота.......................................................................... 200;
навантаження на шпіндель поворотного пристрою, кг,
не більше..................................................................... 50;
тривалість робочого циклу, хв, не більше............... 90.
Випрямляч для іонного бомбардування має 6 ступенів регулювання: 0, 1; 0, 3; 0, 5; 0, 8; 1, 1 і 1, 7 кВ та забезпечує максимальний струм у режимі іонного бомбардування не більше 15 А
На рис. 6. 40 наведена схема установки " Булат" з одним випаровувачем.
Базовою деталлю установки є камера 1 з водяним змієвидним охолодженням. Відкачні насоси 5 забезпечують у камері вакуум до 10-2... 10-3 Па. Для виморожування пари мастила передбачена азотна пастка 6. Дуговий розряд виникає між водоохолоджуваним анодом 8 та матеріалом, який розпилюється катодом 9. Для збудження дуги використовується допоміжний електрод 11.
|
|
|
Рис. 6. 40. Схема установки типу " Булат" з одним випаровувачем
Електродуговий прискорювач плазми 10 працює від силового спеціалізованого джерела постійної напруги. Для екстракції іонів з плазмового потоку та їх прискорення у напрямі до виробу, що напилюється, використовується високовольтне джерело живлення 7. Від нього на виріб 2, який напилюється, подається від'ємне зміщення напруги від десятка вольт до 2... З кВ. Електромагнітні котушки стабілізують катодні плями на зовнішній поверхні матеріалу, що розпилюється, фокусують та прискорюють потік напилюваних часток, відхиляють заряджені частки з метою сепарації потоку.
Установки " Булат" мають пристрій для автоматичного напуску газу у вигляді гольчастого натікача 4. Атмосфера у камері контролюється мас-спектрометром 3, завдяки чому з'являється можливість створення плазмових струменів з регульованим вмістом іонів різних елементів.
Крім установок типу " Булат", випускаються установки для конденсації з металічної плазми при іонному бомбардуванні типу " Пуск", " Юніон" та інші.
Основним призначенням практично всіх установок є зміцнення ріжучого інструменту. Крім того, вони можуть бути використані для нанесення покриття на деталі самого широкого призначення.
Всеросійським інститутом авіаційних матеріалів (ВІАМ) розроблено установку для іонно-плазмового напилення МАР-1М. Вона призначена для нанесення іонно-плазмового дифузійного покриття з композицій жароміцних сплавів, яка забезпечує високу жароміцність, термостійкість та втомлювальну міцність деталей, що працюють при високих температурах.
Установки для ВКНП іонним розпиленням. Для отримання покриття з металів, у тому числі тугоплавких, сплавів, напівпровідників, діелектриків та іншого покриття конструктивного призначенння, використовують установки нанесення покриття шляхом іонного бомбардування.
Найбільше поширеня отримали установки з магнетронними розпилюючими системами (МРС). Це такі установки як Z\/1200, Z700Р2/2 (фірми " Лейбольд-Хареус", Німеччина), МИР-16 МИР-2, МАRS-650, УВН-6 та інші.
Порявняно з електронно-променевим випаровуванням МРС забезпечують на 2... З порядки вищу ступінь іонізації і дозволяють отримати покриття більшої номенклатури складових компонентів. Енергія розпилюваних часток при магнетронному розпиленні на порядок вища, ніж при електронно-променевому.
Існує багато конструкційних варіантів МРС, які відрізняються способом створення магнітного поля, конструкцією катодного вузла, геометрією мішені. Розроблено три базові конструкції магнетрону: циліндрична з циліндричним катодом, планарна з плоским катодом і так звана S-Gun з кільцевим конусоподібним катодом, яку іноді розглядають як різновид циліндричної (рис. 6. 41).
Установка УВН-61, має циліндричну (коаксіальну) магнетронну систему, в якій катод з матеріалу, що розпилюється, виконано у вигляді труби.
Магнетронна система встановлена у внутрішній порожнині труби і при цьому розпилюється зовнішня поверхня катоду (рис. 6. 42).
Плазма локалізується у поверхні катода, що розпилюється за допомогою кільцевого арочного магнітного поля. Підложки розташовуються навкруги катоду. Для наведеної схеми характерні щільності струму 60 мА/см2 та досить висока рівномірність покриття. \
Установка УВН-61 (рис. 6. 42) складається з основи, ковпакової робочої камери з підковпачним пристроєм і механізму для підйому ковпака, вакуумної системи, системи охолодження і пульта керування з електричним блоком.
Основу становить сталевий зварний каркас, закритий металевими панелями пульта керування. Ковпакова робоча камера 1 з випаровувачем 2 і виробами 4 розташовані на базовій плиті 19, а усередині каркаса змонтовані всі інші системи й елементи. Ковпакова камера 1 являє собою металеву (з нержавіючої сталі) герметичну оболонку, що вакуумне щільно з'єднується з базовою плитою 19. Для спостереження за процесом напилювання ковпак має оглядове вікно.
Рис. 6. 41. Конструктивні схеми магнетронних схем розпилення:
(а) циліндрична з внутрішнім розташуванням катоду,
(б) циліндрична з зовнішнім розташуванням катоду,
(в) система з конічним катодом (S-Gun), (г) планарна система;
1 - катод (мішень); 2 - анод; 3 - підложкодержач; 4 - магнетронна система;
5 - екран. Стрілочками показано напрямок силових ліній магнітного поля
Рис. 6. 42. Зовнішній вигляд установки УВН-61:
1 - ковпак; 2 - випаровувач; 3 - натікач; 4 -деталь; 5 - клапан форвакуумного насоса;
6 - клапан високовакуумного насоса; 7, 8 - шкали вакууметра;
9 - вимикач живлення; 10 - контроль параметрів напилення; 11 - трансформатор;
12 - механічний (форвакуумний) насос; 13 - електронагрівач;
14 - маслонасосна станція гідропривода; 15 – паромасляний (високовакуумний) насос;
16 - затвор; 17 - контроль вакуума; 18 – органи керування гідроприводом;
19 - базова плита; 20 - змійовик; 21 -джереложивлення; 22 - контроль температури;
23 - контроль струму магнітрона
До камери припаяний змійовик, який призначений для охолодження або підігрівання камери холодною чи гарячою водою.
Для нанесення покриття досить часто використовують установки, в яких процес ведеться з використанням двох методів. Прикладом такої установки може бути установка УВН-75Р-2, схема якої представлена на рис. 6. 43.
Електрична схема установки забезпечує живлення та керування тліючим розрядом при максимальному струмі 200 мА та напрузі 5 кВ; та електронно-променевим випаровувачем при максимальному струмі променю 200 мА і напрузі 10 кВ.
Більші можливості має інша модифікація установок такого типу: УВН-75П-1. Вона забезпечує іонне розпилення як на постійному, так і змінному струмі. При розпиленні металів, сплавів, з'єднань металічного типу на матеріал подається постійна напруга до 5 кВ. При розпиленні діелектриків використовується змінна напруга до 3 кВ з частотою 76 МГц. Крім того, установка має двохпроменевий електронний випаровувач, який працює на напрузі 6... 10 кВ та струмі до 200 мА.
Рис. 6. 43. Схема внутрікамерного устрою установки УВН-75Р-2:
1 - базова плита; 2 - електронно-променевий випаровувач; 3 - бункер деталей;
4 - багатопозиційна карусель; 5 - підігрівам виробів; 6 - ковпак вакуумної камери;
7 - виріб; 8 - магнетронна розпилювальна система; 9 - екран
|
|
|
