Для приобретения товарного вида и определенных технических свойств на современном производстве все готовые изделия покрываются различными материалами. Особенно актуальным этот вопрос является для металлических деталей, где покрытие играет не столько декоративную роль, сколько защищает металл от коррозии и прочих вредных факторов окружающей среды.

Вакуумное напыление

В современном производстве самой продвинутой технологией нанесения покрытий на детали является вакуумное напыление. Технология заключается в прямой конденсации пара наносимого покрытия на поверхность детали. Определяется три основных стадии такого напыления:

Испарение вещества, из которого будет создаваться покрытие;

Перенос созданного пара к поверхности, на которую вещество будет наноситься;

Конденсация пара на поверхность детали и создание покрытия из него.

Установка для хромирования литых дисков

Методы вакуумного напыления

Помимо вакуума, в напылении могут учувствовать и другие физические процессы. Нижеприведенная классификация также будет касаться и веществ, которые будут напыляться на поверхность.

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-дуговое нанесение покрытий проводится по следующему механизму. Катодом выступает поверхность, на которую необходимо нанесение пленки, анодом выступает подложка газоразряда. Когда дуга накаляет атмосферу до предельной температуры, происходит переход напылительного материала в газообразную фазу и перенос его к катоду. Затем молекулы напылителя конденсируются на поверхности изделия, образуя однородный слой. Однородность в установках вакуумно-дугового напыления может быть отрегулирована вплоть до получения исходного изделия с разводами напылителя.

Такая сложная технология применяется для нанесения сверхтвердых покрытий на режущие и сверлящие инструменты. Крепкие износостойкие буры для перфораторов создаются с помощью вакуумно-плазменного напыления.

Высокопрочные буры для перфоратора

Ионно-вакуумное напыление

Считается самым экологически чистым способом нанести покрытие на любую металлическую поверхность. Минус заключается в дорогостоящем оборудовании, далеко не каждое предприятие может себе позволить его покупку и установку.

Жесткие требования также предъявляются к чистоте поверхности, однако конечный результат превосходит все ожидания. Нанесенное покрытие отличается высокой однородностью, прочностью и износоустойчивостью, поэтому таким способом напыляют покрытия на детали и механизмы, которые будут эксплуатироваться в жестких климатических условиях. Является последней операцией, после которой дальнейшая обработка деталей не допускается – ни сварки, ни резки быть не должно.

Вакуумное напыление алюминия

Нанесение алюминия считается самым популярным способом металлизации практически любой поверхности. Универсальность алюминия позволяет наносить его на такие необычные поверхности, как пластик и стекло, причем, в отличие от остальных металлов, здесь не нужно дополнительное лаковое покрытие для прочности. Алюминий обычно используется в декоративных целях – им обрабатываются автомобильные аксессуары и отражатели для фар, косметические элементы, ручки шкафов и дверей, швейные принадлежности. Этот металл хоть и не отличается высокой прочностью, однако отработка технологии позволила сильно уменьшить стоимость такого напыления, делав его самым распространенным в мире.

Отражатель автомобильной фары с алюминиевым покрытием

Вакуумное напыление металлов

Помимо алюминия, имеется ряд не менее распространенных металлов для напыления. Благодаря различным физическим и химическим свойствам они нашли применение абсолютно во всех отраслях промышленности. Основные назначения напыленных металлов:

улучшение проводимости;

повышение изоляции;

придание износоустойчивых и антикоррозийных свойств.

Регулирование температуры при нанесении слоя покрытия позволяет придать конечному изделию практически любой оттенок, этим часто пользуются для нанесения покрытий «под золото» (используются никеле-титановые сплавы).

Широкое распространение напыление титана и серебра нашли в медицине. Эти уникальные металлы очень хорошо взаимодействуют с организмом человека и имеют антибактериальные свойства. Имплантаты и хирургические инструменты (а также стоматологические и прочие) практически везде имеют напыление серебра – высокая гарантия прочности и стерильности инструмента.

Вакуумное ионно-плазменное напыление

Под воздействием высоких температур покрытие не просто конденсируется на поверхности детали, оно буквально запекается на нем, что придает конечному изделию очень высокие технические характеристики – износоустойчивость при механическом воздействии и хорошую сопротивляемость жестким погодным условиям.

Установка вакуумного напыления УВН

Приборы типа УВН – современные высокотехнологические установки вакуумного напыления. В зависимости от назначения, может оборудоваться любыми устройствами для испарения вещества и его переноса на поверхность детали. Строение:

Технологическая камера закрытого типа – область, где размещается деталь, которая обрабатывается в процессе вакуумного напыления.

Блок управления – панель с кнопками и регуляторами, которые позволяют задавать все необходимые параметры перед началом работы. Современные варианты установок вакуумного напыления оборудованы цифровыми дисплеями для отображения параметров процесса в реальном времени.

Корпус установки скрывает под собой все важные механические и электронные узлы агрегата, защищая их от случайного и несанкционированного вмешательства, а также обеспечивая безопасность оператору станка. В зависимости от размера машины, комплектуется колесиками (с тормозными колодками, для маленьких моделей), либо устанавливается стационарно (для мощных и производительных камер).

Классическая УВН

Основным функциональным предназначением вакуумной установки, является создание и поддержание технического вакуума, который достигается путем откачивания смеси из системы. Широкое применение вакуумным установкам находится в металлургической, текстильной, химической, автомобильной, пищевой и фармацевтической сферах. К основным деталям установки относится насос, панель с фильтрами, блок управления камера.

Навигация:

Применение вакуумных установок

Вакуумные установки могут применяться для проведения лабораторных исследований. Входит в состав микроскопов, хроматографов, испарителей и систем фильтрации. Для этих целей может подойти агрегат, который не будет занимать большую площадь. Производительность таких агрегатов не стоит на первом месте. Чаще всего это форвакуумный или турбомолекулярный насос. При работе с агрессивными газами лучший вариант – мембранный насос.

Вакуумные установки играют немаловажную роль в испытательном оборудовании. Они обеспечивают необходимую скороподъемность летательным аппаратам. Для того чтобы процесс взлета или посадки протекал успешно, необходимо обеспечить быструю скорость откачки.

Сухие насосы используются для полупроводниковых и напылительных вакуумных установок, для осаждения материалов. Отлично подойдут для создания сверхвысокого вакуума. К ним относятся турбомолекулярные и криогенные насосы.

В металлургической промышленности активно используются насосы, которые обладают достаточной пропускной способностью. Они должны быть износостойкими, так как в системе имеется пыль и грязь. Отлично справятся с задачами в промышленной сфере когтевые и винтовые насосы, выполняющие форвакуумную откачку. Возможно применение диффузионных насосов.

Вакуумная установка 976А относится к лабораторному типу. Она предназначена для определения водонасыщенности асфальтобетона в лабораторных условиях. Рабочий объем камеры составляет 2 л. Вакуумная установка способна создать конечный вакуум значением 1х10-2.

Элементы вакуумных установок

Вакуумные установки создают и поддерживают рабочий вакуум в определенном герметичном объеме. Как правило, для этого используются элементы, имеющие одинаковое предназначение в различных видах установок. В их состав входит блок управления со стойкой управления, вакуумный блок, подколпачное устройство, системы охлаждения и вакуумная система и привод подъема колпака. Вакуумная система состоит из насоса любого типа, вакуумного агрегата, трубопроводов, вакуумметра и электромагнитного натекателя.

Вакуумные установки Busch

Вакуумные установки Busch – это, в первую очередь, качественные вакуумные насосы. Компания выпускает такие установки, как пластинчато-роторная модель вакуумного насоса R5. Она отличается высоким качеством и производительностью. Предельное давления агрегата составляет от 0,1 до 20 гПа. Скорость откачки среды достигает 1800 м3/ч. Во вторую очередь – это кулачковые насосы и компрессоры. Одним из таковых является модель Mink. Широко применяется в промышленности. Особенно там, где необходимо поддержание постоянного уровня вакуума. Предельное давление составляет от 20 до 250 гПа. Скорость откачки может достигать 1150 м3/ч.

Вакуумные установки Булат

Одним из примеров установок для нанесения тонкопленочных покрытий, является модель Булат. Она производит нанесение пленки вакуумно-плазменным способом. Может производить покрытие посредствам других электропроводящих материалов. Это молибден, цирконий, нитрид и карбонитрид. Изначально модель разрабатывалась для нанесения покрытия на зубные протезы из металла. Установка включает в себя откачивающий пост, форвакуумный инструмент и соответствующее электрооборудование.

Другие производители вакуумных установок

Компания Agilent Technologies является одной из самых больших по производству вакуумного оборудования. На предприятии налажен выпуск вакуумных насосов, течеискателей, вакуумметров, вакуумных масел и других составляющих систем.

Компания Air Dimensions Inc. специализируется на массовом выпуске высококачественных насосов диафрагменного типа, которые осуществляют отбор проб коррозийных газов, а так же сухих диафрагменных компрессоров.

Компания Edwards производит лабораторную и промышленную вакуумную технику. Среди них вакуумные насосы, вакуумметры и другое вспомогательное оборудования. Славится выпуском широкого ассортимента насосов разного типа.

Установки вакуумного напыления

При помощи установки вакуумного напыления (УВН) производится покрытие различных деталей покрытиями, которые выполняют проводящие, изолирующие, износостойки, барьерные и другие функции. Данный метод является самым распространенным среди других процессов микроэлетроники, в котором применяема металлизация. Благодаря таким установкам возможно получение просветляющих, фильтрующих и отражающих покрытий.

В качестве материалов покрытия может использоваться алюминий, вольфрам, титан, железо, никель, хром и т.д. При необходимости в среду может добавляться ацетилен, азот и кислород. Активация химической реакции при нагреве, ионизации и диссоциации газа. После проведения процедуры покрытия, дополнительная обработка не требуется.

Установка УВН-71 П-3 способна производить отработку технологического напыления. Она задействована в серийном производстве различных пленочных схем. При ее помощи производится изготовление тонких пленок в условиях высокого вакуума. Применяемый метод – резистивное испарение металлов.

Вакуумная установка УВ-24 производит лабораторные испытания асфальтобетона. Помогает определить его качество. Отличительная особенность данного агрегата – наличие двух откачиваемых баков, которые соединены между собой.

Магнетронное напыление

При магнетронном напылении нанесение тонкой пленки происходит посредствам катодного распыления. Устройство, использующие данный метод, называются магнетронные распылители. Данная установка может производить напыление многих металлов и сплавов. При ее использовании в различных рабочих средах с кислородом, азотом, диоксидом углерода и т.п. получаются пленки с различным составом.

Ионное напыление

Принцип работы ионной установки в вакууме – бомбардировка твердых тел ионами. При помещении подложки в вакуум, происходит попадание атомов на нее и образуется пленка.

Другие способы напыления

Вакуумное напыление может производиться с помощью оборудования периодического и непрерывного действия. Установки с периодическим действием применяются при определенном количестве обрабатываемых изделий. В массовом или серийном производстве используются установки непрерывного действия. Существуют одно-,и многокамерные виды напылительного оборудования. В многокамерных установках напылительные модули расположены последовательно. Во всех камерах производится напыление определенного материала. Между модулями находятся шлюзовые камеры и транспортирующее конвейерное устройство. Они осуществляют операции по созданию вакуума, испарения материала пленки, транспортировку по отдельности.

Вакуумные агрегаты

Вакуумный водокольцевой насосный агрегат типа ВВН 12 производит отсасывание воздуха, неагрессивных газов и других смесей, которые не очищаются от влаги и пыли. Поступающий в установку газ не требует очистки.

Агрегат вакуумный золотниковый АВЗ 180 универсален, имеет хороший показатель предельного остаточного давления, небольшой вес и отличается быстродействием и компактностью.

Технические характеристики агрегата вакуумного золотникового АВЗ 180.

Вакуумный агрегат АВР 50 способен откачивать из вакуумных пространств воздух, неагрессивные газы, пары и парогазовые смеси. Он не предназначен для перекачивания вышеперечисленных составов из одной емкости в другую. В его состав входят два насоса: НВД-200 и 2НВР-5ДМ.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Быстрое развитие производства микроэлектронных приборов (МЭП) в последние десятилетие привело к созданию рабочего оборудования, которое возможно меньше влияло бы на процесс формирования тонких пленок и позволяло бы контролировать их параметры. В результате в настоящее время имеется большой выбор вакуумных установок, комплектующих деталей, а так же материалов и методов монтажа позволяющих решать сложные технологические задачи при изготовлении МЭП.

Процесс получения тонких пленок идет в вакуумной среде подколпачного устройства вакуумной установки. Для уменьшения давления в подколпачном устройстве можно использовать два принципа. В первом – газ физически удаляется из вакуумной камеры и выбрасывается наружу. Примером такого способа действия являются механические и пароструйные, паромасляные насосы. Другой метод откачки основан на конденсации или захвате молекул газа на некоторой части поверхности вакуумной камеры без удаления газа наружу. На данном принципе сконструированы криогенные, геттерные и геттеро - ионные насосы.

Количественной мерой переноса или способности поглощения газа насосом является его производительность (Q). Производительность зависит от давления в откачиваемом устройстве и определяется как количество газа, которое протекает через всасывающий патрубок работающего насоса в единицу времени при t = 20 0 C:

Q = Fp· P,

где Fp – быстрота откачки, л/с; P – давление откачиваемых газов, мм рт. ст.

Другой параметр, характеризующий работу насоса - быстрота откачки Fp, которая определяется как отношение производительности насоса к парциальному давлению данного газа вблизи впускного отверстия насоса:

Fp = Q/ P

Большинство вакуумных насосов имеет почти постоянную быстроту откачки в интервале нескольких порядков давления газа. Выше и ниже этой области она резко падает, поэтому откачка этим видом вакуумного насоса становится не эффективной.

При выборе насоса для вакуумной установки необходимо помнить о том, что сами насосы при определенных условиях являются источниками остаточных газов в вакуумной камере. Разные типы насосов сильно различаются между собой как по количеству, так и по природе выделяемых газов. Особенно вредны следы паров органических соединений, обусловленные применяемыми в насосах рабочими жидкостями.

К основным параметрам насоса также относиться предельное давление Pg – это то минимальное давление, которое можно получить с помощью вакуумного насоса, если сам насос газов не выделяет.

Для вращательных насосов Pg зависит от “вредного объема” насоса (то есть той части камеры сжатия, из которой не может быть вытеснен газ, поступающий из откачиваемого объекта) и давления пара веществ, например масла, применяемого для уплотнения. Для пароструйных насосов Pg зависит от скорости молекул пара в сопле, скорости молекул газа в откачиваемом объеме и от молекулярного веса газа.

Допустимое внешнее (впускное) давление – это максимально допустимое давление газа у выпускного патрубка насоса, то есть такое давление, при котором быстрота откачки все еще остается равной максимальной величине. У форвакуумных насосов, сжимающих газ до атмосферного давления, допустимое выпускное давление равно атмосферному, у высоковакуумных насосов величина допустимого выпускного давления равна форвакуумному.

Процесс откачки подколпачного устройства с объемом V и начальным давлением Pо, совершаемый любым насосом с быстротой откачки Fp и предельным давлением Pg может быть описан с помощью дифференциального уравнения, выведенного на основе закона Бойля – Мариотта. Падение давления со временем описывается следующим уравнением:

DP/dt = Fp/V(P - Pg) (1)

Решение этого дифференциального уравнения даст характеристику изменения со временем t давления P в откачиваемом сосуде.

В случае “идеального” насоса Fp = Fp max = const – характеристика насоса P является прямой линией. Быстрота откачки Fp всех технических насосов в отличие от “идеальных” зависит от давления, и поэтому временные характеристики изменения давления получают обычно не расчетным путем, то есть интегрированием уравнения 1, а определяют из эксперимента.

УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ

Вакуумная установка предназначена для создания и поддержания вакуума в рабочем объеме (подколпачном устройстве). Установка состоит из вакуумного блока и стойки управления. Конструктивно вакуумный блок (рис.1.1) представляет собой корпус 1, на котором установлено подколпачное устройство 2. На корпусе смонтированы также вакуумная система, система охлаждения, газовая система и гидропривод подъема колпака. В подколпачном устройстве устанавливается рабочее давление газов от 1·10 -3 до 5·10 -4 мм рт. ст. и производится осаждение материалов распыляемой мишени на подложке при помощи распылительного устройства.

Вакуумная система установки (рис.1.2) состоит из механического насоса НВР-5Д и вакуумного агрегата ВА-2-3Р-Н, клапанной коробки, электромагнитного натекателя, трубопроводов и датчиков для измерения давления.

Рис.1.1. Внешний вид установки: 1 – корпус; 2 – колпак; 3 – система

вакуумная; 4 – система охлаждения; 5 – механизм перемешивания;

6 – распылительное устройство; 7 – клапанная коробка; 8 – вакуумметр

Трубопроводы вакуумной системы соединяют ее с механическим насосом, подколпачным устройством и выпускным патрубком паромасляного насоса. Вентиль – натекатель предназначен для разгерметизации рабочего объема.

Управление откачивающими средствами вакуумной системы установки осуществляется блоком управления вакуумной системой.

Для запуска механического насоса необходимо включить соответствующий тумблер на панели управления. При этом срабатывает магнитный пускатель, который одним нормально-разомкнутым контактом становится на самоблокировку, а тремя другими контактами включает электродвигатель привода электромеханического насоса в вакуумном блоке.

Рис.1.2. Вакуумная система установки: 1 – механический насос НВР-5Д;

2 – нижняя рукоятка клапанной коробки; 3 – электромагнитный натекатель;

4 – верхняя рукоятка клапанной коробки; 5 – клапанная коробка;

6 – термопара; 7 – манометрический датчик; 8 – вентиль-натекатель;

9 – затвор; 10 – вакуумный агрегат типа ВА-2-3РМ; 11 – трубопроводы

Для включения механического насоса необходимо включить соответствующий тумблер на панели управления. При этом срабатывает магнитный пускатель, который

одним нормально-разомкнутым контактом становится на самоблокировку, а тремя другими контактами включает электродвигатель привода электромеханического насоса в вакуумном блоке

Включение нагревателя паромасляного насоса ЭН-1 возможно только после включения механического насоса, так как питание магнитного пускателя осуществляется через нормально разомкнутый контакт магнитного пускателя, при этом на панели управления загорается сигнальная лампа.

При помощи клапанной коробки 2 обеспечиваются все переключения вакуумной системы необходимые для работы установки. Управление клапанной коробкой выведено на переднюю стойку установки (Рис.1.1). При вытягивании верхней рукоятки механической насос откачивает рабочий объем подколпачного устройства, при вытягивании нижней рукоятки откачивается полость паромасляного насоса.

Электромагнитный натекатель расположен на клапанной коробке 5 и предназначен для напуска атмосферного воздуха в трубопровод механического насоса.

Включение электромагнитного натекателя производится переключателем “натекатель”, находящимся в блоке управления вакуумной системой. Натекатель срабатывает только в том случае, если механический насос отключен. При выдвинутой нижней рукоятке клапанной коробки этим же натекателем напускается атмосферный воздух в полость паромасляного насоса. Конструктивно натекатель представляет собой соленоид, торцовая часть которого выполнена в виде уплотнительного клапана. В натекателе есть фильтр из пористого стекла, который задерживает частицы пыли из воздуха.

Контроль вакуума осуществляется вакуумметром ВИТ-2 от датчиков, подключаемых к нему переключателем “Выбор датчика”.

При установке переключателя “Выбор датчика” в положение “1” вакуумметр измеряет низкий вакуум в форвакуумной магистрали. При установке в положение “2” измеряется высокий вакуум в подколпачном устройстве с помощью ионизационного датчика давления, при переключении в положение “0” оба датчика отключаются.

Насос вакуумный механический. Насос пластинчато-роторного типа с масляным уплотнением предназначен для откачки воздуха, химически неактивных газов и парогазовых смесей не воздействующих на материалы конструкции и рабочую жидкость. Такие насосы могут нормально откачивать конденсируемые пары и парогазовые смеси допустимой концентрации.

Процесс откачки газов в пластинчато-роторных насосах основан на механическом всасывании газа вследствие периодического увеличения рабочей камеры.

Принцип работы такого насоса иллюстрируется рисунком 1.3 и происходит следующим образом.

Рис.1.3. Пластинчато-роторный насос: 1 – цилиндр; 2 – ротор; 3 – лопатки;

4 – пружина; 5 – клапан; А и Б – полости

В цилиндре 1 в направлении, указанном стрелкой вращается эксцентрично установленный ротор 2. В прорези ротора помещены лопатки 3, которые пружиной 4 прижимаются к внутренней поверхности цилиндра. При вращении ротора лопатки скользят по внутренней поверхности цилиндра, полость, образованная цилиндром, ротором и лопатками делится на полость А и полость В.

При вращении ротора объем полости А периодически увеличивается и в нее поступает газ из откачиваемой системы; объем полости Б периодически уменьшается и в нем происходит сжатие. Сжатый газ выбрасывается через клапан 5. Уплотнение между полостями всасывания А и сжатия В осуществляется при помощи масляной пленки. Так работает насос в одноступенчатом исполнении. В двух ступенчатом исполнении выход первой ступени соединен со входом второй ступени и газ через клапан выбрасывается в атмосферу.

Все пластинчато-роторные насосы имеют подобное конструкционное исполнение, но отличаются размерами, что определяет быстроту откачки насосов. Конструкция одноступенчатого пластинчато-роторного насоса показана на рисунке 1.4.

При присоединении насоса к вакуумной системе, трубопровод должен иметь малую длину и большой диаметр, не менее диаметра входного отверстия насоса. Невыполнение этих условий ведет к уменьшению быстроты откачки насоса.

Используемый в установке механический пластинчато-роторный насос ВН-05-2 имеет следующие основные эксплуатационные характеристики:

Быстрота откачки 0,5 л/ с

Остаточное давление 5·10 -3 мм рт. ст.

Насос высоковакуумный паромасляный. Насос высоковакуумный паромасляный Н-05 предназначен для откачки воздуха, неагрессивных газов, паров

и парогазовых смесей.

Насос должен работать только совместно со вспомогательным насосом предварительного разряжения. Место паромасляного насоса в высоковакуумной системе показано на рисунке 1.5.

Широко применяемые трехступенчатые паромасляные насосы состоят из следующих основных узлов: корпуса, паропровода, электронагревателя, маслоотражателя и гидрореле. Конструкция насоса показана на рисунке 1.5.

Корпус 1 насоса представляет собой стальной цилиндр с приваренным к нему днищем, входным фланцем 2, выпускным патрубком с фланцем 3. Для установки деталей эжектора на выпускном патрубке есть заплуженный фланец 4.

Рис.1.5. Общий вид насоса: 1 – электронагреватель; 2 – паропровод; 3 – корпус; 4 – маслоотражатель; 5 – сопло; 6 – подсопельник;

7 – сопло; 8 – подсопельник; 9 – эжекторное сопло

Основная конструкционная деталь насоса – паропровод, в котором осуществляется такая циркуляция масла, при которой пары масла из кипятильника, расположенного в нижней части корпуса по паропроводящим каналам попадают в верхнее, нижнее и эжекторные сопла, выходя, откуда конденсируются на холодных стенках корпуса насоса и выпускного патрубка. Стекая в кипятильник, масло попадает сначала в участок кипятильника, связанный с последним (выпускным) соплом и лишь в последнюю очередь, проходя по лабиринту, попадает в участок, связанный с наиболее ответственным внутренним паропроводом, подающим пар в высоковакуумное сопло. Благодаря этому высоковакуумное сопло, ближайшее к откачиваемому объекту, работает только на масле, имеющем наименьшее давление насыщенного пара, а сопло, ближайшее к насосу предварительного разряжения, работает на самых легких фракциях.

Паропровод насоса трехступенчатый. Первые две ступени зонтичного типа, третья ступень – эжекторная. Пары масла из кипятильника по паропроводам попадают в сопла трех ступеней насоса и, истекая из них, образуют струи. Откачиваемый газ диффундирует в струи пара и переносится ими в область предварительного разряжения. Пар, достигнув охлаждаемой стенки насоса, конденсируется и стекает обратно в кипятильник.

Пуск насоса осуществляется в следующей последовательности:

а) включить форвакуумный насос и, открыв вентиль, откачать систему

с паромасляным насосом до давления 5·10 -2 - 1·10 -2 мм рт. ст.;

б) пустить воду для охлаждения корпуса насоса;

в) включить электронагреватель паромасляного насоса.

Для остановки насоса включить электронагреватель насоса и подать воду для охлаждения дна. После остывания насоса перекрыть вентиль, выключить форвакуумный насос и прекратить подачу воды.

Основные характеристики паромасляного насоса:

Предельное остаточное давление не более 5·10 -7 мм рт. ст.

Быстрота откачки Fp 500 л/ с

Максимальное выпускное давление не менее 0.25 мм рт. ст.

Натекание атмосферного воздуха не более 0.02 л×мм рт. ст./с

Марка масла ВМ-1 ГОСТ 7904-56

предварительного разряжения ВН-2МГ или НВР-5Д

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить установку, для чего автомат “сеть” переводится в положение “Вкл.”.

2. Включить механический насос переводом ручки переключателя в положение “Вкл.”.

3. Откачать объем паромасляного насоса, открыть нижний клапан клапанной коробки.

4. Включить нагреватель паромасляного насоса тумблером “Вкл.”.

5. Через 35 – 40 минут после включения нагревателя паромасляного насоса включить азотный питатель.

6. После прогрева паромасляного насоса закрыть нижний клапан и произвести предварительную откачку подколпачного объема, открыв верхний клапан клапанной коробки.

7. Снять и построить характеристику P(t) при откачке на механическом насосе для этого в течение одного часа фиксировать показания термопарного вакуумметра через каждые 10 минут. Данные свести в таблицу и начертить кривую P(t).

8. Снять и построить характеристику P(t) для диффузионного насоса. Опыт провести также как и в пункте 7.

9. Оценить возможности обоих насосов при достижении уровня предварительного вакуума: механического в течение 40 минут, высоковакуумного – в течение 1 часа.

10. Дать заключение о предварительном вакууме, который можно получить при предложенной системе откачки.

11. Полученные при эксперименте данные привести в виде таблиц и графиков.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как классифицируется вакуум. Объяснить принцип работы установки вакуумного напыления, назначение узлов.

2. Объяснить правильную последовательность включения и выключения вакуумных насосов в вакуумной установке. Объяснить, чем ограничен предельный вакуум, который можно получить на такой установке.

3. Объяснить работу паромасляного насоса.

4. Объяснить работу механического насоса.

5. Объяснить принцип измерения вакуума и работу термоэлектронного и ионизационного датчиков.

6. Объяснить назначение и работу вентиля – натекателя.

7. Объяснить принцип действия и устройство азотной и электромагнитной ловушек.

8. Прокомментировать полученные вакуумные характеристики установки.

Существует много способов поверхностей, и к одним из основных относится вакуумная металлизация. Предметов с таким покрытием вокруг множество. Даже предметы из обычного пластика можно сделать похожими на металлические – с помощью этой технологии напыления металла они приобретут красивую серебристую или золотистую поверхность.

Понятие о вакуумной металлизации

С помощью такой технологии происходит обработка поверхностей изделий путём переноса мелких металлических частиц в вакууме. Они покрывают изделия плотным слоем. Для этого используется специальное оборудование, довольно дорогостоящее, для которого необходимо подходящее производственное помещение. В небольшой мастерской такой процесс работы не выполнить.

Вакуумная металлизация широкое применение получила сравнительно недавно, но уже показала, что этот способ, несмотря на использование дорогого оборудования, намного дешевле гальванического нанесения, а по сравнению с лакокрасочными покрытиями слой значительно насыщенней и поверхность получается более красивая.

На какие поверхности можно наносить

Способом вакуумного напыления металла можно покрывать предметы из металлов, керамики, стекла, пластмасс. При этом, в отличие от гальванического нанесения, для создания эффекта глянцевого хромирования, меднения, золочения, поверхностей не требуется предварительная полировка деталей.

Вообще, металлизировать таким способом можно любые материалы, которые устойчивы к нагреву до +80 и воздействию специальных лаков. А также материалы не должны быть пористыми, чтобы в процессе металлизации в вакуумной камере не выделялся атмосферный или другой газ, что приведёт к некачественному покрытию. К ним относится плохо обработанная керамика, древесина, бетон. Но даже на них можно нанести таким способом декоративные покрытия, если предварительно загрунтовать специальными составами.

Чаще всего сегодня обрабатываются таким способом предметы из пластмасс и металлов. Этот процесс только усиливает их положительные свойства. Напыление наносится на металлические поверхности изделий, состоящие из различных сплавов. При этом создаётся , изменяются электропроводные свойства металла в сторону повышения, улучшается внешний вид предметов.

Металлизация пластмасс позволяет изготавливать красивые, практичные изделия из дешёвого сырья. В автомобилестроении пластмассовые детали устанавливают для снижения веса. Решётки радиаторов, корпуса, колпаки колёс и другие детали, к которым не требуется обладание повышенной прочностью, изготавливаются из прочных марок пластмасс и обрабатываются под металл.

Оборудование для вакуумной металлизации

У этой технологии, как и у других таких же сложных, имеются свои плюсы и минусы:

Аппарат для нанесения покрытий - схема

• необходимость использования дорогостоящего оборудования;
• большие расходы электроэнергии;
• потребность в просторном производственном помещении для размещения всех приспособлений и для полного технологического цикла изготовления.

Дополнительные расходы средств требуются при этом на технический процесс нанесения дополнительного слоя – защитного лака.

Установки вакуумного напыления представляют собой совокупность устройств, которые последовательно и самостоятельно выполняют ряд функций, необходимых для технологического процесса металлизации.

Основные функции:

• откачка воздуха для получения условий разрежения;
• распыление в определённых условиях металлических частиц на поверхность предметов;
• транспортировка обрабатываемых деталей;
• контроль режимов происходящих процессов вакуумного напыления;
• электропитание и другие вспомогательные приспособления.

Составляющие узлы вакуумной установки:

• Рабочая камера. В ней происходит сам процесс металлизации.
• Источник испаряемых металлов вместе с управляющими и энергообеспечивающими устройствами.
• Системы контроля и управления для регулировки температуры, скорости напыления, толщины плёнки, её физических свойств.
• Откачивающая и газораспределительная система, обеспечивающая получение вакуума и регулировку газовых потоков.
• Системы блокировки рабочих узлов, блоки электропитания.
• Транспортирующее устройство, определяющее подачу-извлечение из вакуумной камеры, смену положений деталей при нанесении металлопокрытия.
• Вспомогательные устройства – заслонки, внутрикамерные манипуляторы, газовые фильтры и др.

Особенности оборудования

Установки для вакуумного процесса нанесения металлического слоя бывают магнетронные и ионно-плазменные. В любых из них необходимо достигать испарения вещества с поверхности металлических болванок, минуя стадию расплава металла.

При сублимационном способе процесс нагрева происходит быстро до температуры испарения, не допуская расплава. Для этого используются нагреватели, способные повышать кинетическую энергию вплоть до разрушения кристаллической решётки. Но некоторые металлы не сублимируют в вакууме, и поэтому с ними стадии расплава не избежать. Поэтому в таких случаях применяются дополнительные системы фильтров.

Способом вакуумного напыления металлического слоя покрываются изделия разных размеров: крупные (до 1 м) и совсем мелкие. Существуют технологии металлопокрытия многометровых тканей и плёнок – они перематываются из одного рулона в другой в процессе напыления в вакуумной камере. Поэтому бывают установки с рабочими камерами разных размеров:

• небольшие – несколько литров;
• крупные – несколько кубометров.

Технологический процесс

Вакуумная металлизация, основанная на испарении и выпадении частиц металла на подложку, представляет собой ряд последовательно происходящих процессов. Они довольно сложные.

Металл при нагревании перед тем, как стать покрытием, претерпевает целый ряд изменений. Вначале он испаряется, затем адсорбируется, после этого выпадает конденсатом и кристаллизуется на поверхности, с образованием металлической плёнки. Каждый процесс довольно сложный.

На качество готового изделия влияют многие факторы. Главные из них – физико-технические характеристики материалов заготовок и выдерживаемые условия процесса металлизации. Образование слоя покрытия происходит в два основных этапа. Это перенос массы и энергии от источника и их равномерное распределение по поверхности обрабатываемого изделия.

Этапы выполнения вакуумной металлизации

Напыление металла на поверхности изделий методом вакуумной металлизации производится по технологии, состоящей из нескольких этапов:

• Деталь подготавливается к процессу нанесения покрытия. Для этой цели подходят только заготовки несложных форм, которые не имеют острых углов или участков, труднодоступных для прямолинейного попадания конденсата.
• Процесс нанесения защитного слоя. На полимеры с содержанием низкомолекулярных наполнителей предварительно наносятся слои антидиффузионных лаковых покрытий.
• Сушка и обезжиривание. Заготовки проходят этап сушки адсорбированной влаги в течение трех часов при температуре +80 .
• Процесс обезжиривания происходит уже на подготовительном этапе в вакуумной камере путём воздействия тлеющего разряда.
• Проведение отжига на этой стадии особенно благоприятно для полимерных материалов – положительно сказывается на их структуре, снижается при этом внутреннее напряжение.
• Проводится активационная обработка перед нанесением металлического слоя на поверхность для повышения её адгезии. Используемые методы зависят от материала заготовки.
• Нанесение металлического покрытия. При этом слой покрытия формируется путём конденсации пересыщенных паров металлов на холодную поверхность заготовки.
• Затем проводится контрольная проверка качества металлического слоя. Для декоративных изделий она заключается в осмотре поверхности с определением прочности и равномерности слоя. Для технических деталей используются дополнительные испытания. На практике применяются методы отслаивания липкой лентой, истирание, разрушение УЗ колебаниями и др.

Сферы применения

Технология обработки поверхностей методом вакуумной металлизации применяется в производстве многих товаров:

• Сантехнической фурнитуры – сильфонов, кнопок смыва и др. Самая распространённая металлизация - алюминием, придающая изделиям хромированный вид.
• Мебельная фурнитура – ручки для мебельных дверок и ящиков, декоративные отделочные детали, вешалки для одежды и др.
• Зеркальные покрытия. Небьющиеся зеркала изготавливаются способом металлизации полимерных плёнок, натянутых на рамки.
• Кожгалантерея – пряжки для ремней, пуговицы, люверсы.
• Упаковочные материалы – крышки для флаконов с парфюмерией, дозаторы косметических средств, декоративные коробочки для бижутерии и др.
• В производстве бижутерии, декоративных сувениров и подобных изделий.
• При изготовлении предметов геральдики – гербов и других предметов.
• Радиоэлектроника – приборные панели телевизоров, крышки мониторов, кнопки и др.
• Микроэлектроника – изготовление интегральных микросхем, полупроводников и других деталей. Обычно применяется напыление меди.
• Автомобильная промышленность – внутренняя светоотражающая часть фар и многие декоративные детали снаружи и внутри машины.
• Светотехнические изделия – для декорации деталей светильников.

Визуально можно сделать имитацию под любой драгоценный или полудрагоценный металл. Вакуумная металлизация придаёт изделиям не только красивые декоративные свойства, но и создаёт защитный слой от коррозии для металлов, износа для других материалов. Металлизация пластмасс позволяет из дешёвых материалов создавать практичные и красивые изделия. Стойкое покрытие обеспечивает долгий срок эксплуатации изделий.

Выводы

По времени использования наибольший срок сохранения декоративного слоя у предметов, находящихся в закрытых помещениях. Те, что часто подвергаются атмосферным воздействиям, могут со временем повреждаться. Но для их защиты обычно используются специальные лаковые слои, которые продлевают срок службы таких изделий. К преимуществам покрытий вакуумным способом относится их экологичность, по сравнению с другими аналогичными технологиями.

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).